(a) Dans la cellule d'alimentation auto-chargeable, le matériau piézoélectrique PVDF remplace le matériau séparateur conventionnel et agit comme un nanogénérateur à l'intérieur d'une batterie Li-ion. (b) Sur le dessous d'une chaussure, la cellule de puissance convertit l'énergie de compression générée par la marche en énergie chimique et la stocke sans la convertir en électricité. Crédit image :Xue, et al. ©2012 Société chimique américaine
(Phys.org) -- Les technologies des énergies renouvelables consistent généralement en deux processus distincts :la production d'énergie (à l'aide de sources telles que le charbon, solaire, vent, etc.) et le stockage d'énergie (comme les batteries). Ces deux processus sont toujours accomplis à travers deux unités distinctes, avec le premier processus convertissant la forme originale d'énergie en électricité, et le deuxième processus convertissant l'électricité en énergie chimique. Maintenant pour la première fois, les ingénieurs ont démontré que l'énergie peut être générée et stockée dans un seul appareil qui convertit l'énergie mécanique directement en énergie chimique, en contournant l'étape intermédiaire de production d'électricité. L'appareil agit essentiellement comme une unité hybride générateur-batterie, ou en d'autres termes, une cellule d'alimentation auto-rechargeable.
Les chercheurs, Xinyu Xue, Sihong Wang, Wenxi Guo, Yan Zhang, et Zhong Lin Wang, du Georgia Institute of Technology à Atlanta, Géorgie, ont publié leur étude sur la combinaison de la production et du stockage d'énergie dans une seule unité dans un récent numéro de Lettres nano .
« C'est un projet qui introduit une nouvelle approche dans la technologie des batteries qui est fondamentalement nouvelle en science, » a déclaré Zhong Lin Wang Phys.org . « Cela a une application générale et large car c'est une unité qui non seulement récupère l'énergie mais la stocke également. Il n'a pas besoin d'une source de courant continu à jet mural constant pour charger la batterie. Il est principalement destiné à être utilisé pour la conduite de petits, électronique portable.
Pour fabriquer la cellule d'alimentation auto-chargeable, les chercheurs ont commencé avec une batterie Li-ion de type pièce et ont remplacé le séparateur en polyéthylène qui sépare normalement les deux électrodes par un film PVDF. En tant que matériau piézoélectrique, Le film PVDF génère une charge lorsqu'il est soumis à une contrainte appliquée. En raison de sa position entre les électrodes de la batterie, le film PVDF fait migrer des ions Li positifs de la cathode vers l'anode afin de maintenir un équilibre de charge à travers la batterie. Ce processus de migration d'ions charge la batterie sans avoir besoin d'une source de tension externe ; puisque le séparateur PVDF fournit la tension, ou différence de potentiel entre électrodes, la batterie est essentiellement auto-chargeable.
Une image au microscope électronique à balayage en coupe de la cellule d'alimentation à autocharge (à gauche), et l'anode de nanotube de TiO2 agrandie (à droite). Crédit image :Xue, et al. ©2012 Société chimique américaine
Afin d'appliquer une contrainte au séparateur, les chercheurs ont attaché la pile bouton au bas d'une chaussure, et a découvert que la marche pouvait générer suffisamment d'énergie de compression pour charger la batterie. Une force de compression avec une fréquence de 2,3 Hz pourrait augmenter la tension de l'appareil de 327 à 395 mV en 4 minutes. Cette augmentation de 65 mV est nettement supérieure à l'augmentation de 10 mV qu'il a fallu lorsque la cellule d'alimentation a été séparée en un générateur piézoélectrique PVDF et une batterie Li-ion avec le séparateur en polyéthylène conventionnel. L'amélioration montre que la réalisation d'une conversion d'énergie mécanique-chimique en une seule étape est beaucoup plus efficace que le processus en deux étapes mécanique-électrique et électrique-chimique utilisé pour charger une batterie traditionnelle.
Une fois le nouvel équilibre entre électrodes atteint, le processus d'autocharge s'arrête. La cellule peut commencer à fournir de l'énergie une fois la contrainte appliquée relâchée, puisque le champ piézoélectrique disparaît et que les ions Li peuvent rediffuser de l'anode vers la cathode pour atteindre un nouvel équilibre. Comme dans une batterie Li-ion conventionnelle, la diffusion ionique fait intervenir des réactions électrochimiques de réduction-oxydation, qui génèrent ici un courant d'environ 1 µA pouvant être utilisé pour alimenter un petit appareil électronique.
« Les ions Li ne reflueront pas immédiatement après la suppression de la contrainte appliquée car ils forment un nouveau composé avec le matériau de l'anode (LiTiO), », a déclaré Zhong Lin Wang. « Les charges sont conservées comme dans une batterie classique. Ils sont libérés plus tard lorsque l'alimentation est requise.
Bien que ces tensions et courants soient faibles, les chercheurs ont montré que la cellule d'alimentation peut également s'auto-charger avec des tensions plus élevées d'environ 1,5 V, ce qui pourrait le rendre utile pour un plus large éventail d'applications. Les chercheurs prévoient qu'ils peuvent encore améliorer les performances de la cellule de puissance en apportant plusieurs modifications, par exemple en utilisant un boîtier flexible pour permettre une plus grande déformation du matériau piézoélectrique.
Copyright 2012 Phys.org
Tous les droits sont réservés. Ce matériel ne peut pas être publié, diffuser, réécrit ou redistribué en tout ou en partie sans l'autorisation écrite expresse de PhysOrg.com.
