Un procédé d’impression pour des générateurs thermoélectriques 3D peu coûteux

Les générateurs thermoélectriques, ou TEG, convertissent la chaleur ambiante en énergie électrique. Ils permettent une alimentation électrique sans entretien, écologique et autonome du nombre sans cesse croissant de capteurs et d’appareils pour l’Internet des objets (IoT) et la récupération de la chaleur perdue.

Les scientifiques de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont maintenant développé des architectures de composants tridimensionnels basées sur des matériaux thermoélectriques nouveaux et imprimables. Cela pourrait constituer un jalon sur la voie de l’utilisation de TEG peu coûteux.

Les résultats sont présentés dans les publications npj Flexible Electronics (DOI : 10.1038/s41528-020-00098-1) et ACS Energy Letters (DOI : 10.1021/acsenergylett.0c02159).

« Les générateurs thermoélectriques convertissent directement l’énergie thermique en énergie électrique. Cette technologie permet de faire fonctionner des capteurs autonomes pour l’Internet des objets ou dans des objets portables, tels que des montres intelligentes, des appareils de fitness ou des lunettes numériques sans piles« , explique le professeur Uli Lemmer, directeur de l’Institut de technologie de la lumière (LTI) du KIT. En outre, ils pourraient être utilisés pour la récupération de la chaleur perdue dans l’industrie et les systèmes de chauffage ou dans le secteur de l’énergie géothermique.

De nouveaux procédés d’impression grâce à des encres personnalisées

« Les TEG conventionnels doivent être assemblés à partir de composants individuels en utilisant des méthodes de fabrication relativement complexes« , explique M. Lemmer. « Pour éviter cela, nous avons étudié de nouveaux matériaux imprimables et développé deux procédés et encres innovants basés sur des nanoparticules organiques et inorganiques« . Ces procédés et encres peuvent être utilisés pour produire des TEG imprimés tridimensionnels peu coûteux.

Le premier procédé utilise la sérigraphie pour appliquer un motif en 2D sur une feuille de substrat flexible ultrafine en utilisant des encres d’impression thermoélectriques. Ensuite, un générateur ayant à peu près la taille d’un morceau de sucre est plié au moyen d’une technique d’origami. Cette méthode a été développée conjointement par les chercheurs du KIT, le laboratoire d’innovation de Heidelberg et une entreprise dérivée du KIT. Le second procédé consiste à imprimer un échafaudage en 3D, sur les surfaces duquel l’encre thermoélectrique est appliquée.

Réduction des coûts grâce aux technologies d’impression

M. Lemmer est convaincu que les procédés de production évolutifs, tels que la sérigraphie en rouleau ou la fabrication additive moderne (impression 3D), sont des technologies clés. « Les nouveaux procédés de production permettent non seulement une production évolutive peu coûteuse de ces TEG. Les technologies d’impression permettent également d’adapter le composant aux applications. Nous travaillons actuellement à la commercialisation du système thermoélectrique imprimé.« 

La recherche a été menée au sein du pôle d’excellence 3DMM2O et a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), le ministère fédéral de l’éducation et de la recherche (BMBF), l’école supérieure MERAGEM et la Fondation fédérale allemande pour l’environnement (DBU).

Publications originales :

Andres Georg Rösch, André Gall, Silas Aslan, Matthias Hecht, Leonard Franke, Md. Mofasser Mallick, Lara Penth, Daniel Bahro, Daniel Friderich, et Ulrich Lemmer : Générateurs thermoélectriques en origami entièrement imprimés pour la récupération d’énergie. npj Flex Electron 5, 1 (2021). https://doi.org/10.1038/s41528-020-00098-1

Md Mofasser Mallick, Leonard Franke, Andres Georg Rösch et Uli Lemmer : Générateurs thermoélectriques 3D à forme variable par fabrication additive. ACS Energy Lett. 6, 85 (2021). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02159