Selon une équipe de chercheurs du Penn State's Materials Research Institute et de l'Université de l'Utah, un dispositif portable de récupération d'énergie pourrait générer de l'énergie à partir du balancement d'un bras tout en marchant ou en faisant du jogging. L'appareil, de la taille d'une montre-bracelet, produit 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 entre 5 et 50 fois mieux que tout ce qui a été rapporté’, a déclaré Susan Trolier-McKinstry , professeure Steward S. Flaschen de science et génie des matériaux et de génie électrique , Penn State.
Les appareils de récupération 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, les récupérateurs d'énergie peuvent réduire le coût de la main-d'œuvre nécessaire au remplacement des batteries en cas de panne et éviter que les batteries déchargées ne se retrouvent dans les décharges.
Certains cristaux peuvent produire un courant électrique lorsqu'ils sont comprimés ou ils peuvent changer de forme lorsqu'une charge électrique est appliquée. Cet effet piézoélectrique est utilisé dans les appareils à ultrasons et sonars, ainsi que dans la récupération d'énergie.
Dans ce travail, Trolier-McKinstry et son ancien doctorant, Hong Goo Yeo, ont utilisé un matériau piézoélectrique bien connu, le PZT, et l'ont enduit sur les deux faces d'une feuille métallique flexible d'une épaisseur quatre ou cinq fois supérieure à celle des dispositifs précédents. . Un plus grand volume de matière active équivaut à la génération de plus de puissance. En orientant la structure cristalline du film pour optimiser la polarisation, la performance – connue sous le nom de facteur de mérite – de récupération d'énergie a été augmentée. 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 dispositifs plus robustes.
‘Il y avait de bons défis en science des matériaux’, a déclaré Trolier-McKinstry à propos de ce travail, rapporté dans une édition en ligne de Advanced Functional Materials avant la publication imprimée. « Le premier consistait à obtenir une épaisseur de film élevée sur une feuille métallique flexible. Ensuite, nous devions obtenir la bonne orientation cristalline afin d'obtenir l'effet piézoélectrique le plus puissant. »
Des collaborateurs de l'Université de l'Utah et du département de génie mécanique de Penn State ont conçu un nouveau dispositif semblable à une montre-bracelet qui intègre les matériaux PZT/feuille métallique. L'appareil utilise un rotor en laiton excentrique à rotation libre avec un aimant intégré et plusieurs faisceaux PZT avec un aimant sur chaque faisceau. Lorsque l'aimant sur le rotor s'approche de l'un des faisceaux, les aimants se repoussent et dévient le faisceau, arrachant le faisceau dans un processus appelé conversion de fréquence. La fréquence lente d'un poignet en rotation est convertie en une oscillation de fréquence plus élevée. La conception de cet appareil est plus efficace qu'une moissonneuse électromagnétique standard – comme celles utilisées dans les montres auto-alimentées – selon Trolier-McKinstry.
Dans les travaux futurs, l'équipe pense pouvoir doubler la puissance de sortie en utilisant le processus de frittage à froid, une technologie de synthèse à basse température développée à Penn State. De plus, les chercheurs travaillent sur l'ajout d'un composant magnétique à la moissonneuse mécanique actuelle pour récupérer l'énergie sur 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 de l'Université de l'Utah.
Le Centre de recherche sur les nanosystèmes de la Fondation nationale des sciences pour les systèmes autoalimentés avancés de capteurs et de technologies intégrés a financé ce projet.
