Étude et développement de récupération d'énergie basés sur des nanogénérateurs triboélectriques pour des autonomes iot et des systèmes intelligents

Les techniques traditionnelles de récupération de l'énergie se sont longtemps concentrées sur les processus de conversion solaire, électromagnétique et piézoélectrique. Ces techniques n'atteignent généralement pas la densité d'énergie ou la praticité requise pour des applications de l’internet des objets. Les récents progrès de la microélectronique ont permis la mise au point de techniques de collecte d'énergie plus efficace et économiquement réalisable qui offre une grande praticabilité et une grande flexibilité dans un volume limité. Proposé pour la première fois par le Dr Zhong Lin Wang en 2012, le développement des nanogénérateurs triboélectriques a connu une croissance rapide. Dans cette thèse, le développement de nanogénérateurs triboélectriques à hautes performances avec des défis d'optimisation des dispositifs pour augmenter la densité de puissance électrique dans un volume limité a été étudié. L'étude systématique de la sélection des matériaux permet de maximiser la génération de charges de surface et d'augmenter considérablement la densité d’énergie des nanogénérateurs triboélectrique; et plus généralement le processus de conversion électrostatique. Après optimisation, les nanogénérateurs triboélectriques ont été utilisés dans la démonstration de la récupération de l'énergie ambiante et ont atteint des niveaux de densité de puissance compatibles pour une application commerciale autonome. Les dispositifs développés dans ce travail de thèse, qui contient à la fois des approfondissements des connaissances scientifiques et des développements technologiques, permettent de placer les nanogénérateurs triboélectriques comme une source d'énergie fiable pour l'intégration d'un large éventail d'applications non seulement d'électronique à petite échelle mais potentiellement pour la production d'énergie à grande échelle.For small autonomous objects used in IoTs, traditional techniques for harvesting energy have long been concentrated on solar, electromagnetic, and piezoelectric conversion processes. These techniques generally do not attain the energy density required at the level of the application. Recent advances in microelectronics have increased the possibility for a more effective and economically feasible energy harvesting technique that offers wide practicality and flexibility in a limited volume. First proposed by Dr. Zhong Lin Wang in 2012, the development of triboelectric nanogenerators matches these needs and has thus grown rapidly. In this thesis, development of high-performance triboelectric nanogenerators with challenges of device optimization to increase the electrical power density in a limited volume has been investigated. Systematic materials selection investigation allows to maximize the surface charge generation and significantly increase the charge density of triboelectric nanogenerators and more generally the electrostatic conversion process. Through advanced device optimization techniques, the triboelectric nanogenerators have been engaged in a demonstration of ambient energy harvesting and allows to reach power density levels compatible to drive a fully practical commercial autonomous device. The applications demonstrated in this thesis work, which contain both scientific understanding and technology developments, exhibit triboelectric nanogenerators as a reliable power source not only for small-scale electronics but could also contribute to large scale power generation

Étude et développement de récupération d'énergie basés sur des nanogénérateurs triboélectriques pour des autonomes iot et des systèmes intelligents

For small autonomous objects used in IoTs, traditional techniques for harvesting energy have long been concentrated on solar, electromagnetic, and piezoelectric conversion processes. These techniques generally do not attain the energy density required at the level of the application. Recent advances in microelectronics have increased the possibility for a more effective and economically feasible energy harvesting technique that offers wide practicality and flexibility in a limited volume. First proposed by Dr. Zhong Lin Wang in 2012, the development of triboelectric nanogenerators matches these needs and has thus grown rapidly. In this thesis, development of high-performance triboelectric nanogenerators with challenges of device optimization to increase the electrical power density in a limited volume has been investigated. Systematic materials selection investigation allows to maximize the surface charge generation and significantly increase the charge density of triboelectric nanogenerators and more generally the electrostatic conversion process. Through advanced device optimization techniques, the triboelectric nanogenerators have been engaged in a demonstration of ambient energy harvesting and allows to reach power density levels compatible to drive a fully practical commercial autonomous device. The applications demonstrated in this thesis work, which contain both scientific understanding and technology developments, exhibit triboelectric nanogenerators as a reliable power source not only for small-scale electronics but could also contribute to large scale power generation.Les techniques traditionnelles de récupération de l'énergie se sont longtemps concentrées sur les processus de conversion solaire, électromagnétique et piézoélectrique. Ces techniques n'atteignent généralement pas la densité d'énergie ou la praticité requise pour des applications de l’internet des objets. Les récents progrès de la microélectronique ont permis la mise au point de techniques de collecte d'énergie plus efficace et économiquement réalisable qui offre une grande praticabilité et une grande flexibilité dans un volume limité. Proposé pour la première fois par le Dr Zhong Lin Wang en 2012, le développement des nanogénérateurs triboélectriques a connu une croissance rapide. Dans cette thèse, le développement de nanogénérateurs triboélectriques à hautes performances avec des défis d'optimisation des dispositifs pour augmenter la densité de puissance électrique dans un volume limité a été étudié. L'étude systématique de la sélection des matériaux permet de maximiser la génération de charges de surface et d'augmenter considérablement la densité d’énergie des nanogénérateurs triboélectrique; et plus généralement le processus de conversion électrostatique. Après optimisation, les nanogénérateurs triboélectriques ont été utilisés dans la démonstration de la récupération de l'énergie ambiante et ont atteint des niveaux de densité de puissance compatibles pour une application commerciale autonome. Les dispositifs développés dans ce travail de thèse, qui contient à la fois des approfondissements des connaissances scientifiques et des développements technologiques, permettent de placer les nanogénérateurs triboélectriques comme une source d'énergie fiable pour l'intégration d'un large éventail d'applications non seulement d'électronique à petite échelle mais potentiellement pour la production d'énergie à grande échelle

Selective Growth of Graphene-Confined Inkjet-Printed Sn Nanoparticles on Plastic Using Intense Pulsed Light Annealing

International audiencePrinting graphene-based nanomaterials on flexible substrates has become a burgeoning platform for next-generation technologies. Combining graphene and nanoparticles to create hybrid nanomaterials has been proven to boost device performance, thanks to their complementary physical and chemical properties. However, high growth temperatures and long processing times are often required to produce high-quality graphene-based nanocomposites. For the first time, we report a novel scalable approach for additive manufacturing of Sn patterns on polymer foil and their selective conversion into nanocomposite films under atmospheric conditions. A combination of inkjet printing and intense flashlight irradiation techniques is studied. Light pulses that are selectively absorbed by the printed Sn patterns cause a temperature of over 1000 °C to be reached locally in a split second without damaging the underlying polymer foil. The top surface of the polymer foil at the interface with printed Sn becomes locally graphitized and acts as a carbon source, transforming printed Sn into Sn@graphene (Sn@G) core–shell patterns. Our results revealed a decrease in electrical sheet resistance, with an optimal value (Rs = 72 ± 2 Ω/sq) reached when light pulses with an energy density of 12.8 J/cm2 were applied. These graphene-protected Sn nanoparticle patterns exhibit excellent resistance against air oxidation for months. Finally, we demonstrate the implementation of Sn@G patterns as electrodes for Li-ion microbatteries (LIBs) and triboelectric nanogenerators (TENGs), showing remarkable performance. This work offers new insight into the development of a versatile, eco-friendly, and cost-effective technique for producing well-defined patterns of graphene-based nanomaterials directly on a flexible substrate using different light-absorbing nanoparticles and carbon sources