Il suffit de regarder autour de soi pour se rendre compte le nombre d’appareils électroniques équipés de piles que vous utilisez quotidiennement en Espagne. Le téléphone portable est devenu le plus utilisé, mais les écouteurs, les ordinateurs portables et même les voitures électriques utilisent également cette source d’énergie rechargeable. Pour surmonter ses limites, on développe des matériaux capables d’accumuler de l’énergie directement dans le cas d’un téléphone ou dans la carrosserie d’une voiture, mais certains cherchent à aller plus loin.
Les ingénieurs du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), une institution universitaire de premier plan basée à Troy (New York, États-Unis), semblent déterminés à réaliser quelque chose d’encore plus révolutionnaire. Dans un article publié dans Communications naturellesles chercheurs expliquent le processus de fabrication et les propriétés de un nouveau matériau qui produit de l’électricité lorsqu’il est comprimé ou exposé à des vibrations. Cela ouvrirait la porte à des conceptions et à des produits innovants, tels que des pneus capables de recharger un véhicule électrique pendant qu’il circule ou des gratte-ciel qui génèrent de l’énergie lorsqu’ils vibrent et oscillent sous l’action du vent.
“Nous sommes enthousiasmés et encouragés par nos découvertes et leur potentiel à soutenir la transition vers l’énergie verte”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Nikhil Koratkar, professeur au Département de génie mécanique, aérospatial et nucléaire du RPI. Outre les propriétés du matériau, Koratkar souligne que contrairement à la plupart des surfaces piézoélectriques, celle développée par son équipe n’utilise pas de plomb. “Il est toxique et est de plus en plus restreint et retiré des matériaux et des appareils. Notre objectif était créer un matériau ne contenant pas de plomb et pouvant être fabriqué à faible coût en utilisant des éléments couramment trouvés dans la nature.
Nouveaux matériaux
Certains cristaux, soumis à des contraintes mécaniques, acquièrent une polarisation électrique dans leur masse, avec une différence de potentiel et des charges électriques à leur surface. Ce sont les soi-disant les matériaux piézoélectriques, dont les propriétés ont été découvertes au 19e siècle et ils sont aujourd’hui indispensables au fonctionnement des sonars des navires, des microphones ou des injecteurs des moteurs à combustion interne.
Derrière l’effet piézoélectrique se cache le manque de symétrie structurelle du matériau. Lorsqu’ils sont soumis à des contraintes, ces matériaux se déforment et il en résulte la séparation des ions positifs et négatifs. Le « moment dipolaire » peut être utilisé pour créer un courant électrique. Par conséquent, plus il est facile de briser cette symétrie structurelle, plus la puissance peut être « récoltée ».
Un microphone piézoélectrique
Omicrono
Les minéraux tels que le quartz ou le rubidium sont piézoélectriques, mais pour améliorer leur efficacité dans la production d’énergie, il est courant de les « mélanger » avec du plomb, qui est hautement cancérigène. Les réglementations environnementales sont de plus en plus exigeantes en ce sens, et c’est pourquoi il est indispensable de travailler sur une nouvelle génération de ce type de matériaux pour “exploiter l’énergie omniprésente, abondante et renouvelable associée aux vibrations mécaniques“, selon un Communiqué de presse RPI.
Pour ce faire, l’équipe de Koratkar a développé un mince film de polymère de 0,3 mm d’épaisseur infusé d’un composé de chalcogénure de pérovskite, qui produit de l’électricité lorsqu’il est pressé ou soumis à une tension. Ainsi, ils ont développé l’un des rares matériaux piézoélectriques hautes performances sans plombavec des applications aussi variées que son intégration dans des infrastructures ou la conception de dispositifs biomédicaux.
“Essentiellement, le matériau convertit l’énergie mécanique en énergie électrique : plus la charge de pression appliquée est importante et plus la surface sur laquelle la pression est appliquée est grande, plus l’effet est important”, explique Koratkar. “Par exemple, pourrait être utilisé sous les autoroutes pour produire de l’électricité au passage des voitures au-dessus de. “Il pourrait également être utilisé dans les matériaux de construction, produisant de l’électricité lorsque les bâtiments vibrent.”
L’énergie du mouvement
Pour synthétiser le matériel, les chercheurs utilisé des particules dispersées de baryum, de zirconium et de soufre à petite échelledans le but de fabriquer des films minces capables de capter l’énergie du mouvement du corps humain pour alimenter des appareils électrochimiques et électroniques tels que appareils portables.
Ainsi, lors des expériences, ces fines couches de matériau piézoélectrique ont été utilisées pour produire de l’électricité et vérifier votre efficacité dans les mouvements corporels quotidiens, de la marche à la course même en pliant le bras ou en applaudissant. Ainsi, il pourrait être facilement intégré à des vêtements ou des chaussures ayant différentes fonctions.
Après les tests, le résultat était clair : le film de chalcogénure de pérovskite était capable de générer suffisamment d’énergie pour alimenter une banque de lumières LED. “Ces tests montrent que cette technologie pourrait être utile, par exemple, dans un dispositif porté par des coureurs ou des cyclistes qui éclaire leurs chaussures ou leurs casques et les rend plus visibles”, a déclaré Koratkar.
Université de Washington
Omicrono
Malgré les résultats positifs, les chercheurs soulignent qu’il ne s’agit que d’une première étape, une preuve de concept avec un énorme potentiel si le matériau peut être fabriqué et déployé à grande échelle“où cela peut vraiment faire une différence dans la production d’énergie”.
Il reste à expérimenter toute la famille des composés de chalcogénures de pérovskite pour trouver ceux qui ont un effet piézoélectrique plus important. Dans cette recherche, ils peuvent collaborer de manière décisive algorithmes d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatiquecapable de trouver des modèles dans d’énormes quantités de données.