Un matériau céramique récupère l’électricité à partir de l’énergie perdue

Mariah Lucas

Il y a une part considérable d’énergie potentielle dans les vibrations produites par les pas sur les pistes de danse, les machines de sport dans les salles de gym, ou les moteurs des voitures, avions ou engins de chantier. Certaines entreprises technologiques ont déjà commencé à récupérer de l’électricité à partir des vibrations perdues pour alimenter des lumières et recharger des batteries en utilisant une classe de matériaux céramiques piézoélectriques, qui émettent des charges électriques lorsqu’on marche dessus ou qu’on les manipule.

Maintenant, une équipe dirigée par des scientifiques des matériaux de Penn State a étendu ces premiers efforts de récupération d’énergie en améliorant la structure et la chimie d’un matériau piézoélectrique fait de niobate de potassium sodium, ou KNN. Les échantillons de céramique améliorés sont thermiquement stables, résistants à la fatigue, moins denses et performants de manière compétitive par rapport aux matériaux piézoélectriques à base de plomb existants, ont déclaré les chercheurs.

Leur travail, qui a été publié dans la revue Small, pourrait aider à remplacer les matériaux toxiques à base de plomb actuellement utilisés dans les matériaux piézoélectriques, a déclaré l’équipe.

« Les vibrations mécaniques sont partout, produites par les personnes ou les moteurs, a déclaré le premier auteur Aman Nanda, un étudiant en doctorat en science et ingénierie des matériaux à Penn State. Nous pouvons placer un récupérateur d’énergie piézoélectrique sous les pistes de danse et les couloirs, ou sous les ponts et les parkings, pour récupérer l’énergie de ces sources mécaniques. En raison de la conception légère de notre matériau KNN, nous pourrions également les inclure dans les avions — ce qui n’était pas possible auparavant avec les matériaux à base de plomb — pour récupérer les vibrations pendant les vols, même à haute altitude. »

Les récupérateurs d’énergie ont une conception en cantilever, où un élément rigide est fixé à une extrémité et libre à l’autre, a expliqué Nanda. Puisque les matériaux céramiques sont fragiles, une attention particulière et des conceptions de dispositifs sont nécessaires pour les appliquer dans des applications réelles afin de gérer les contraintes mécaniques. 

Lorsqu’il est pressé, le cantilever vibre et génère de l’électricité grâce à l’effet piézoélectrique du matériau qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.

Pour remplacer le plomb et produire une céramique piézoélectrique plus légère, les chercheurs ont systématiquement modifié la structure et la chimie du KNN. Ils ont d’abord ajouté un matériau magnétique, le manganèse, à sa composition chimique. Ensuite, ils ont ajusté la croissance des grains, ou la taille des cristaux individuels dans la microstructure, par traitement thermique.

« Aman a optimisé le matériau avec des éléments spécifiques pour améliorer les propriétés, a déclaré le co-auteur correspondant Mike Lanagan, professeur de science et mécanique de l’ingénierie à Penn State. « Ces matériaux existent depuis un certain temps en termes de chimie, mais il a fait beaucoup plus de travail pour améliorer les chimies en changeant la composition et les procédures de synthèse, comme expérimenter avec différents temps de chauffe, températures et structures du matériau. »  

Alors que les grains poussent typiquement de manière aléatoire dans toutes les directions, les chercheurs ont utilisé la chaleur et des approches de fabrication spécifiques pour contrôler la croissance des grains afin qu’ils poussent tous dans une direction similaire.

« Avec la plage de température de synthèse appropriée, nous avons atteint une croissance de grains unidirectionnelle, a déclaré Nanda. « Cela a entraîné des propriétés fonctionnelles améliorées, telles que la résistance mécanique et la ténacité, dans la direction de l’alignement des grains, ainsi qu’une réponse piézoélectrique améliorée. »

Ce fut le premier matériau piézoélectrique sans plomb à performer de manière compétitive par rapport aux matériaux à base de plomb, ont déclaré les chercheurs, basé sur une comparaison de la quantité de tension générée à partir d’une vibration mécanique. Dans les tests en laboratoire, le matériau KNN amélioré a récupéré une quantité d’énergie similaire à un matériau conventionnel à base de plomb.

Comme prochaine étape, les chercheurs testeront et exploreront les utilisations potentielles du matériau. En plus de la récupération d’énergie, l’équipe a déclaré que le nouveau matériau pourrait être utilisé dans des capteurs qui détectent le poids, les ondes sonores, la position, la pression de l’air et la lumière.

« Puisque les matériaux sans plomb sont biocompatibles, notre nouveau matériau à base de KNN ouvre également la possibilité d’intégrer les dispositifs fabriqués à partir de ces matériaux dans des applications biomédicales, telles que les stimulateurs cardiaques auto-alimentés ou les dispositifs de stimulation neurale, a déclaré le co-auteur correspondant Bed Poudel, professeur de recherche en science et ingénierie des matériaux à Penn State.

En plus de Nanda, Poudel et Lanagan, les co-auteurs affiliés à Penn State incluent Mark Fanton, professeur de recherche au Laboratoire de Recherche Appliquée ; et Sumanta Kumar Karan et Shankar Kunwar, chercheurs postdoctoraux en science et ingénierie des matériaux. Pour une liste complète des auteurs et de leurs affiliations, voir Small.

Article : Textured Lead-Free Ceramic with High Thermal Stability and Electrical Quality Factor – Journal : Small – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1002/smll.202505193

Source : PSU