Un dispositif pour capter l’énergie des vibrations à basse fréquence

Selon une équipe de chercheurs du Penn State’s Materials Research Institute et de l’Université de l’Utah, un dispositif de récupération d’énergie portable pourrait générer l’électricité à partir du balancement d’un bras pendant la marche ou le jogging. L’appareil, de la taille d’une montre-bracelet, produirait suffisamment d’énergie pour faire fonctionner un système de surveillance de la santé personnelle.

« Les appareils que nous fabriquons à l’aide de nos matériaux optimisés fonctionnent de 5 à 50 fois mieux que tout ce qui a été rapporté « , a déclaré Susan Trolier-McKinstry, titulaire de la chaire Steward S. Flaschen en science et génie des matériaux et en génie électrique à Penn State.

Les dispositifs de collecte d’énergie sont très demandés pour alimenter les millions d’appareils qui composent l’Internet des objets. En fournissant une alimentation continue à une batterie rechargeable ou à un supercondensateur, la récupération d’énergie permettrait de réduire le coût de la main-d’œuvre pour remplacer les batteries lorsqu’elles tombent en panne et empêcher les batteries usagées d’être enfouies dans les décharges.

Certains cristaux sont en mesure de produire un courant électrique lorsqu’ils sont comprimés ou peuvent changer de forme lorsqu’une charge électrique est appliquée. Cet effet piézoélectrique est utilisé dans les appareils à ultrasons et les sonars, ainsi que dans la récupération d’énergie.

Pour leurs travaux, Trolier-McKinstry et son ancien doctorant, Hong Goo Yeo, ont utilisé un matériau piézoélectrique bien connu, le PZT, et l’ont enduit des deux côtés d’une feuille métallique flexible d’une épaisseur quatre ou cinq fois supérieure à celle des dispositifs existants. Un plus grand volume de matière active équivaut à la production d’une plus grande puissance. En orientant la structure cristalline du film pour optimiser la polarisation, ils ont augmenté la performance – connue sous le nom de valeur – de la récupération d’énergie. Les contraintes de compression créées dans le film lors de sa croissance sur les feuilles métalliques flexibles signifient également que les films PZT peuvent supporter des contraintes élevées sans se fissurer, ce qui rend les appareils plus robustes.

« Il y a eu de bons défis en science des matériaux « , a déclaré Trolier-McKinstry à propos de ce travail, rapporté dans une première édition en ligne de Advanced Functional Materials avant sa publication sur papier. « La première était de savoir comment obtenir une épaisseur de film élevée sur une feuille métallique flexible. Ensuite, nous avons eu besoin d’obtenir la bonne orientation du cristal afin d’obtenir l’effet piézoélectrique le plus fort. »

Dans le cadre de travaux futurs, l’équipe croit pouvoir doubler la production d’énergie en utilisant le procédé de frittage à froid, une technologie de synthèse à basse température mise au point à Penn State. De plus, les chercheurs travaillent à l’ajout d’un composant magnétique à la moissonneuse-batteuse mécanique actuelle pour récupérer l’énergie pendant une plus grande partie de la journée lorsqu’il n’y a pas d’activité physique.

Les co-auteurs de l'article, intitulé "Strongly (001) Oriented Bimorph PZT Film on Metal Foils Grown by rf-Sputtering for Wrist-Worn Piezoelectric Energy Harvesting", sont Hong Goo Yeo, Xiaokun Ma, Christopher Rahn et Susan Trolier-McKinstry, tous de Penn State, et Tiancheng Xue et Shad Roundy, Université d'Utah. Le National Science Foundation Nanosystems Research Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies a financé ce projet.