Le professeur adjoint Tan Swee Ching (au centre), en collaboration avec le Dr Zhang Yaoxin (à gauche) et M. Qu Hao (à droite), a développé un tissu auto-chargeant qui génère de l'électricité à partir de l'humidité de l'air. Crédit :Université nationale de Singapour
Imaginez pouvoir générer de l'électricité en exploitant l'humidité de l'air autour de vous avec seulement des objets de tous les jours comme du sel de mer et un morceau de tissu, ou même alimenter des appareils électroniques de tous les jours avec une batterie non toxique aussi fine que du papier. Une équipe de chercheurs du Collège de conception et d'ingénierie (CDE) de l'Université nationale de Singapour (NUS) a mis au point un nouveau dispositif de génération d'électricité par l'humidité (MEG) constitué d'une fine couche de tissu d'environ 0,3 millimètre (mm) d'épaisseur. — sel de mer, encre de carbone et gel spécial absorbant l'eau.
Le concept des appareils 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 une large gamme d'applications réelles, y compris des appareils autonomes tels que l'électronique portable 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 de l'appareil lorsqu'il est exposé à l'humidité ambiante et des performances électriques insatisfaisantes. Ainsi, l'électricité générée par les appareils MEG conventionnels est insuffisante pour alimenter les appareils électriques et n'est pas non plus durable.
Pour surmonter ces défis, une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Tan Swee Ching du Département de science et génie des matériaux du CDE a conçu un nouveau dispositif MEG contenant deux régions de propriétés différentes pour maintenir perpétuellement une différence de teneur en eau entre les régions afin de générer de l'électricité. et permettre une production électrique pendant des centaines d'heures.
Cette avancée technologique a été publiée dans la version papier de la revue scientifique Advanced Materials le 26 mai 2022.
Batterie longue durée à base de tissu auto-rechargeable
Le dispositif MEG de l'équipe NUS consiste en une fine couche de tissu recouverte de nanoparticules de carbone. Dans leur étude, l'équipe a utilisé un tissu disponible dans le commerce composé de pâte de bois et de polyester.
Le nouveau dispositif de génération d'électricité alimenté par l'humidité inventé par les chercheurs du NUS capitalise sur la différence de teneur en humidité des régions humides et sèches du tissu enduit de carbone pour créer un courant électrique. Le sel de mer est utilisé comme absorbant d'humidité pour la région humide. Crédit :Université nationale de Singapour
Une région du tissu est enduite d'un hydrogel ionique hygroscopique, et cette région est connue sous le nom de région humide. Fabriqué à partir de sel de mer, le gel spécial absorbant l'eau peut absorber plus de six fois son poids d'origine, et il est utilisé pour récolter l'humidité de l'air.
"Le sel de mer a été choisi comme composé absorbant l'eau en raison de ses propriétés non toxiques et de son potentiel à fournir une option durable aux usines de dessalement pour éliminer le sel de mer et la saumure générés", a déclaré le professeur Asst Tan.
L'autre extrémité du tissu est la région sèche qui ne contient pas de couche d'hydrogel ionique hygroscopique. Cela permet de s'assurer que cette région est maintenue sèche et que l'eau est confinée à la région humide.
Une fois l'appareil MEG assemblé, l'électricité est générée lorsque les ions de sel marin sont séparés lorsque l'eau est absorbée dans la région humide. Les ions libres de charge positive (cations) sont absorbés par les nanoparticules de carbone chargées négativement. Cela provoque 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 de l'électricité pour une utilisation ultérieure.
En utilisant une conception unique de régions humides et sèches, les chercheurs du NUS ont pu maintenir une teneur élevée en eau dans la région humide et une faible teneur en eau dans la région sèche. Cela maintiendra la production électrique même lorsque la région humide est saturée d'eau. Après avoir été laissé dans un environnement humide ouvert pendant 30 jours, l'eau était toujours maintenue dans la région humide démontrant l'efficacité de l'appareil à maintenir la production électrique.
"Avec cette structure asymétrique unique, les performances électriques de notre appareil MEG sont considérablement améliorées par rapport aux technologies MEG précédentes, permettant ainsi d'alimenter de nombreux appareils électroniques courants, tels que les moniteurs de santé et l'électronique portable", a expliqué Asst. Professeur 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. Fait intéressant, sa flexibilité exceptionnelle a été démontrée par les chercheurs en pliant le tissu en une grue en origami qui n'a pas affecté les performances électriques globales de l'appareil.
Bloc d'alimentation portable et plus
Le dispositif MEG a des applications immédiates en raison de sa facilité d'évolutivité et des matières premières disponibles dans le commerce. L'une des applications les plus immédiates est l'utilisation comme source d'alimentation portable pour l'électronique d'alimentation mobile directement par l'humidité ambiante.
"Après absorption d'eau, un morceau de tissu générateur d'énergie de 1,5 sur 2 centimètres peut fournir jusqu'à 0,7 volts (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 NUS a également démontré avec succès l'évolutivité de son nouvel appareil dans la production d'électricité pour différentes applications. L'équipe NUS a connecté ensemble 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 de l'appareil assemblé a été testée pour atteindre 1,96 V, soit plus qu'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 NUS, la commodité d'obtenir des matières premières disponibles dans le commerce ainsi que le faible coût de fabrication d'environ 0,15 $ par mètre carré rendent le dispositif MEG adapté à la production de masse.
« Notre appareil présente une excellente évolutivité à un faible coût de fabrication. Par rapport à d'autres structures et appareils MEG, notre invention est plus simple et plus facile pour la mise à l'échelle des intégrations et des connexions. Nous pensons qu'elle est très prometteuse pour la commercialisation », a déclaré Asst. Professeur Tan.
Les chercheurs ont déposé un brevet pour la technologie et prévoient d'explorer des stratégies de commercialisation potentielles pour des applications dans le monde réel. Le nouveau "tissu" convertit le mouvement en électricité
