Étude et élaboration de matériaux ferroélectriques sans plomb sous forme de céramiques et films minces pour le stockage de l'énergie électrique et le refroidissement électrocalorique

Les enjeux énergétiques ont pris une importance considérable dans notre vie quotidienne. Ils doivent répondre en effet au double défi du besoin croissant d'énergie et des considérations environnementales et écologiques. Bien que l'énergie fossile présente des avantages indéniables, ses défauts poussent constamment la recherche vers des solutions alternatives. Dans cette course, des matériaux écologiques et performants sont toujours recherchés en vue du développement des condensateurs de stockage d'énergie et des dispositifs de refroidissement électrocalorique (EC). On outre, le contexte de la miniaturisation nécessite la fabrication des matériaux de taille de plus en plus réduite allant de céramiques aux films minces nanostructurés (1D) ayant des structures hiérarchiques en passant par les films minces (2D) denses et continus. La présente thèse a pour objectif de mieux cerner l'apport de la dimensionnalité, l'architecture, la géométrie et l'orientation des grains au sein des céramiques et des films minces élaborés afin d'augmenter la densité d'énergie stockée et l'effet électrocalorique de ces matériaux. Nous avons développé dans un premier temps des céramiques de Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT) par deux méthodes de synthèse (sol-gel : BCZT-SG et électrofilage : BCZT-ES). Une optimisation de temps de frittage a été menée sur ces céramiques. Les analyses effectuées nous ont permis de caractériser l'effet de la méthode de synthèse et le temps de frittage sur les propriétés diélectriques, électrocaloriques et de stockage d'énergie des céramiques de BCZT. Les caractérisations physico-chimiques ont révélé d'une part que les céramiques de BCZT frittées pendant 6h présentent des propriétés microstructurales, diélectriques, électrocaloriques et de stockage d'énergie améliorées. D'autre part, les céramiques préparées par la méthode d'électrofilage (BCZT-ES) sont plus performantes que celles préparées par le procédés sol-gel (BCZT-ES). Cela pourrait être attribué à la finesse des grains des poudres de BCZT-ES et au rapport important des proportions des phases tétragonale (T) et orthorhombique (O) coexistantes dans ces céramiques. En effet, la céramique de BCZT-ES-6h présente une densité d'énergie récupérée intéressante de 233,69 mJ/cm3 et une efficacité énergétique élevé de 72,17% à E = 40 kV/cm, au voisinage de la transition ferroélectrique-paraélectrique. Ainsi, cette céramique montre un coefficient électrocalorique atteignant une valeur élevée de ζ ≈ 0,523 K.mm/k