19.08.2022 - National University of Singapore

Des chercheurs inventent un dispositif ultrafin et auto-chargeur qui génère de l'électricité à partir de l'humidité de l'air

Cette "batterie" rechargeable en tissu fournit une puissance électrique supérieure à celle d'une pile AA classique.

Imaginez que vous puissiez produire de l'électricité en exploitant l'humidité de l'air ambiant à l'aide d'objets courants comme du sel de mer et un morceau de tissu, ou même alimenter des appareils électroniques courants avec une batterie non toxique aussi fine que du papier. Une équipe de chercheurs du College of Design and Engineering (CDE) de la National University of Singapore (NUS) a mis au point un nouveau dispositif de production d'électricité par l'humidité (MEG) composé d'une fine couche de tissu - d'environ 0,3 millimètre (mm) d'épaisseur - de sel marin, d'encre de carbone et d'un gel spécial absorbant l'eau.

Le concept des dispositifs MEG repose sur la capacité de différents matériaux à générer de l'électricité à partir de l'interaction avec l'humidité de l'air. Ce domaine suscite un intérêt croissant en raison de son potentiel pour un large éventail d'applications dans le monde réel, y compris les dispositifs auto-alimentés tels que les appareils électroniques portables comme les moniteurs de santé, les capteurs électroniques de la peau et les dispositifs de stockage d'informations.

Les principaux défis des technologies MEG actuelles incluent la saturation en eau du dispositif lorsqu'il est exposé à l'humidité ambiante et des performances électriques insatisfaisantes. Ainsi, l'électricité produite par les dispositifs MEG conventionnels est insuffisante pour alimenter les appareils électriques et n'est pas non plus durable.

Pour surmonter ces difficultés, une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Tan Swee Ching du département de science et de génie des matériaux du CDE a conçu un nouveau dispositif MEG contenant deux régions de propriétés différentes afin de maintenir perpétuellement une différence de teneur en eau entre les régions pour générer de l'électricité et permettre une production électrique pendant des centaines d'heures.

Cette percée technologique a été publiée dans la version imprimée de la revue scientifique Advanced Materials le 26 mai 2022.

Une "batterie" durable et auto-rechargeable à base de tissu

Le dispositif MEG de l'équipe NUS consiste en une fine couche de tissu recouverte de nanoparticules de carbone. Pour son étude, l'équipe a utilisé un tissu disponible dans le commerce, composé de pulpe de bois et de polyester.

Une région du tissu est enduite d'un hydrogel ionique hygroscopique, et cette région est connue comme la région humide. Fabriqué à partir de sel marin, ce gel spécial absorbant l'eau peut absorber plus de six fois son poids initial, et il est utilisé pour récupérer l'humidité de l'air.

"Le sel marin a été choisi comme composé absorbant l'eau en raison de ses propriétés non toxiques et de sa capacité à fournir une option durable aux usines de dessalement pour éliminer le sel marin et la saumure générés", a déclaré le professeur adjoint Tan.

L'autre extrémité du tissu est la zone sèche qui ne contient pas de couche d'hydrogel ionique hygroscopique. Cela permet de s'assurer que cette région reste sèche et que l'eau est confinée dans la région humide.

Une fois le dispositif MEG assemblé, de l'électricité est générée lorsque les ions du sel marin sont séparés au fur et à mesure que l'eau est absorbée dans la région humide. Les ions libres à charge positive (cations) sont absorbés par les nanoparticules de carbone qui sont chargées négativement. Cela entraîne des changements à la surface du tissu, générant un champ électrique à travers celui-ci. Ces modifications de la surface donnent également au tissu la capacité de stocker l'électricité pour une utilisation ultérieure.

Grâce à une conception unique de zones humides et sèches, les chercheurs de la NUS ont pu maintenir une forte teneur en eau dans la zone humide et une faible teneur en eau dans la zone sèche. Cela permet de maintenir la production électrique même lorsque la région humide est saturée d'eau. Après avoir été laissé dans un environnement ouvert et humide pendant 30 jours, l'eau était toujours présente dans la région humide, ce qui prouve l'efficacité du dispositif à maintenir la production électrique.

"Grâce à cette structure asymétrique unique, les performances électriques de notre dispositif MEG sont considérablement améliorées par rapport aux technologies MEG antérieures, ce qui permet d'alimenter de nombreux appareils électroniques courants, tels que les moniteurs de santé et les appareils électroniques portables", explique le professeur adjoint Tan.

Le dispositif MEG de l'équipe a également fait preuve d'une grande flexibilité et a pu résister aux contraintes de torsion, de roulement et de flexion. Il est intéressant de noter que les chercheurs ont démontré sa flexibilité exceptionnelle en pliant le tissu pour former une grue en origami, ce qui n'a pas affecté les performances électriques globales du dispositif.

Alimentation électrique portable et plus encore

Le dispositif MEG a des applications immédiates en raison de sa facilité de mise à l'échelle et des matières premières disponibles dans le commerce. L'une des applications les plus immédiates est l'utilisation comme source d'énergie portable pour alimenter des appareils électroniques directement par l'humidité ambiante.

"Après absorption d'eau, un morceau de tissu générateur d'énergie de 1,5 centimètre sur 2 peut fournir jusqu'à 0,7 volt (V) d'électricité pendant plus de 150 heures dans un environnement constant", a déclaré le Dr Zhang Yaoxin, membre de l'équipe de recherche.

L'équipe de la NUS a également démontré avec succès l'évolutivité de son nouveau dispositif pour produire de l'électricité pour différentes applications. L'équipe de la NUS a relié trois pièces du tissu générateur d'énergie et les a placées dans un boîtier imprimé en 3D de la taille d'une pile AA standard. La tension du dispositif assemblé a été testée pour atteindre 1,96 V, soit une tension supérieure à celle d'une pile AA commerciale d'environ 1,5 V, ce qui est suffisant pour alimenter de petits appareils électroniques tels qu'un réveil.

L'évolutivité de l'invention de la NUS, la facilité d'obtention de matières premières disponibles dans le commerce ainsi que le faible coût de fabrication d'environ 0,15 S$ par mètre carré font que le dispositif MEG est adapté à une production de masse.

"Notre dispositif présente une excellente évolutivité à un faible coût de fabrication. Par rapport à d'autres structures et dispositifs MEG, notre invention est plus simple et plus facile pour les intégrations et les connexions à grande échelle. Nous pensons qu'elle est très prometteuse pour la commercialisation", a déclaré le professeur adjoint Tan.

Les chercheurs ont déposé un brevet pour cette technologie et prévoient d'explorer des stratégies de commercialisation potentielles pour des applications dans le monde réel.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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