Des scientifiques de l’Université d’État de Caroline du Nord ont développé un dispositif de récupération d’énergie flexible et extensible uniquement à partir de matériaux mous biocompatibles : métal liquide et polymères mous appelés hydrogels. Il produit de petites quantités d’électricité comparables à d’autres technologies de récupération d’énergie, et il peut également fonctionner dans l’eau ainsi que dans l’air, selon un article récent de l’équipe publié dans la revue Advanced Materials. L’équipe pense que le nouvel appareil NCSU est prometteur pour alimenter les appareils portables, en les chargeant spontanément sans avoir besoin d’une source d’alimentation externe.
« L’énergie mécanique, telle que l’énergie cinétique du vent, des vagues, des mouvements du corps et des vibrations des moteurs, est abondante », a déclaré le co-auteur Michael Dickey, ingénieur chimiste et bimoléculaire au NCSU. type de mouvement mécanique en électricité. Et l’un de ses attributs remarquables est qu’il fonctionne parfaitement bien sous l’eau. »
Les scientifiques du NCSU se sont particulièrement inspirés d’un article publié en 2013 par des chercheurs coréens. Les chercheurs de 2013 ont découvert qu’ils pouvaient récupérer l’énergie d’un condensateur électrique à double couche (ELCD) en déprimant des réseaux de gouttelettes d’eau pris en sandwich entre deux électrodes rigides, chargeant ainsi spontanément le condensateur. Mais la rigidité s’est avérée être un inconvénient, car l’électricité n’était générée qu’en déplaçant l’électrode rigide de haut en bas. Dickey et ses co-auteurs voulaient créer une version flexible de cette technologie.
La clé s’est avérée être un alliage de métal liquide de gallium et d’indium, selon Dickey, qui est ensuite enfermé dans un hydrogel absorbant l’eau. Les sels dissous dans l’eau (ions) se rassemblent sur la surface métallique, formant une double couche électrique semblable à un condensateur. La déformation du métal liquide augmente la surface, et plus la surface est grande, plus la charge induite est importante. Lorsque l’électricité est générée, elle peut être exploitée par un fil attaché.
“Comme l’appareil est mou, tout mouvement mécanique peut le déformer, y compris l’écrasement, l’étirement et la torsion”, a déclaré Dickey. “Cela le rend polyvalent pour la récolte d’énergie mécanique. Par exemple, l’hydrogel est suffisamment élastique pour être étiré jusqu’à cinq fois sa longueur d’origine.”
Dickey et al. ensuite testé les capacités de récupération d’énergie de leur appareil en déformant l’une des électrodes et en comparant les résultats à l’autre électrode non déformée. Ils ont découvert qu’une déformation de quelques millimètres seulement pouvait générer une densité de puissance d’environ 0,5 mW m.-2, ce qui est comparable à d’autres appareils de récupération d’énergie populaires.
Mais l’appareil a un gros avantage sur ses concurrents : ces concurrents ne fonctionnent généralement pas bien, voire pas du tout, dans des environnements humides. Selon Dickey, cela ouvre davantage d’applications potentielles, notamment la biomédecine, les vêtements de sport, les robots souples, les peaux électroniques et les utilisations dans les environnements marins. Leur appareil est également remarquablement facile à fabriquer en quelques étapes simples.
Les chercheurs du NCSU ont utilisé leur technologie pour créer un capteur auto-alimenté extensible capable de détecter le mouvement d’un doigt. “L’augmentation de l’angle de flexion du doigt augmente la déformation, ce qui entraîne une augmentation du courant”, ont-ils écrit. Le capteur pourrait également récupérer l’énergie du mouvement du coude et du genou pendant la marche.
Il y a cependant quelques problèmes potentiels. L’eau contenue dans l’hydrogel a tendance à s’évaporer avec le temps, ce qui aurait un impact sur son élasticité et altérerait sa conductivité. Cependant, cela pourrait être atténué en incorporant des sels de chlorure de lithium dans l’appareil. Le gallium a également tendance à s’oxyder avec le temps, et les chercheurs ont noté une diminution du potentiel énergétique après plusieurs milliers de cycles. Cela pourrait entraîner des sorties de puissance inférieures sur une période de temps plus longue. Et il y a encore de l’énergie gaspillée dans la déformation de l’hydrogel ; des gels encore plus mous pourraient éventuellement améliorer son efficacité de conversion d’énergie.
Le nouveau dispositif NCSU est avant tout une preuve de concept, selon Dickey. Ils étudient également comment adapter leur technologie pour récupérer l’énergie du vent et des vagues océaniques. Et Dickey et son équipe pensent qu’ils peuvent trouver un moyen d’augmenter encore la densité de puissance de leur appareil.
Une façon de le faire pourrait être de briser le métal en gouttelettes plus petites, augmentant essentiellement la surface pour un volume donné. Alternativement, on peut pré-étirer l’appareil puis le laisser se détendre, augmentant le courant électrique (et donc la puissance de crête instantanée). Ou on pourrait précharger les condensateurs pour augmenter la puissance de sortie. Enfin, “En principe, on pourrait explorer d’autres matériaux, tels que les liquides ioniques ou les électrolytes de batterie pour étendre le potentiel de fonctionnement”, ont conclu les auteurs.
DOI : Advanced Materials, 2021. 10.1002/adma.202103142 (À propos des DOI).