(Phys.org) - L'idée de récolter l'énergie ambiante de l'environnement qui ne serait autrement pas utilisée à dessein est, en théorie, une excellente façon de produire du vert, énergie renouvelable. Mais le plus gros problème dans ce domaine de recherche relativement nouveau est que les scientifiques n'ont pas encore trouvé de méthode capable de récolter de très grandes quantités d'énergie. Cependant, la technologie s'améliore régulièrement, comme l'a démontré le développement d'un nanogénérateur capable de charger partiellement une batterie Li-ion en récupérant l'énergie des fluctuations de température dans l'environnement.

Les scientifiques, Ya Yang et Sihong Wang du Georgia Institute of Technology à Atlanta, Yan Zhang du Georgia Institute of Technology et de l'Académie chinoise des sciences à Pékin, et Zhong Lin Wang des deux institutions, ont publié un article sur un nanogénérateur pyroélectrique dans un récent numéro de Lettres nano .

Les scientifiques appellent l'appareil un nanogénérateur pyroélectrique (PENG) car il est basé sur l'effet pyroélectrique, dans lequel la polarisation d'un matériau anisotrope change en réponse aux fluctuations de température, qui peut être utilisé pour récupérer de l'énergie thermique. Contrairement à l'effet Seebeck, qui est utilisé pour récupérer de l'énergie thermique en fonction de la différence de température entre deux extrémités d'un appareil, l'effet pyroélectrique se produit dans des environnements où la température est spatialement uniforme mais change avec le temps.

"La chaleur perdue est une riche source d'énergie qui peut être récupérée, " Zhong Lin Wang a dit Phys.org . "En 2010, par exemple, plus de 50 pour cent de l'énergie générée à partir de toutes les sources aux États-Unis a été perdue principalement sous forme de chaleur gaspillée, ce qui nous offre une excellente opportunité de récolter ce type d'énergie à l'aide de la nanotechnologie. La récupération de l'énergie thermoélectrique repose principalement sur l'effet Seebeck, qui utilise une différence de température entre deux extrémités du dispositif pour entraîner la diffusion des porteurs de charge. La présence d'un gradient de température est un must pour la cellule thermoélectrique classique. Cependant, dans un environnement où la température est spatialement uniforme sans gradient, comme le plein air dans notre vie quotidienne, l'effet Seebeck n'est guère utile pour récupérer l'énergie thermique résultant d'une fluctuation de température dépendante du temps. Dans ce cas, l'effet pyroélectrique est au choix, qui concerne la polarisation spontanée dans certains solides anisotropes en raison de la fluctuation de la température, mais il y a peu d'études sur l'utilisation de l'effet pyroélectrique pour récolter de l'énergie thermique."

À ce jour, Les PENG ont des tensions de sortie inférieures à 0,1 V et des courants inférieurs à 1 nA, qui sont trop bas pour piloter des appareils électroniques commerciaux. Ici, les chercheurs ont démontré qu'un PENG constitué d'un film mince de titanate de zirconate de plomb (PZT) a une tension de sortie allant jusqu'à 22 V, un pic de courant de 430 nA, et une densité de courant de 171 nA/cm ² lorsqu'il est exposé à un changement de température de 45 K à une vitesse de 0,2 K/seconde. Le film mince PZT mesure 21 mm de long, 12 mm de large, et 175 m d'épaisseur - environ la moitié de la taille d'un timbre-poste.

Avec ces améliorations de tension et de courant, une seule impulsion de sortie du PENG pourrait alimenter en continu un écran LCD pendant plus de 60 secondes ; en comparaison, un nanogénérateur piézoélectrique, qui récupère l'énergie mécanique de l'environnement, peut alimenter un écran LCD pendant environ 2 secondes.

Pour étendre les applications potentielles du PENG, les chercheurs voulaient stocker l'énergie électrique générée par les fluctuations de température. Alors ils l'ont branché à une pile bouton Li-ion, et a démontré que le PENG pouvait charger la batterie de 650 à 810 mV en environ 3 heures. Ils ont ensuite montré que cette capacité électrique stockée pouvait être utilisée pour alimenter une LED verte pendant quelques secondes.

Les capteurs sans fil constituent une autre application potentielle des PENG. Les chercheurs ont expliqué que les capteurs sans fil peuvent être alimentés par une batterie Li-ion rechargeable avec une tension de 2,8 V. Cependant, le PENG fabriqué ici a un courant trop faible pour le faire, puisque le courant ne peut pas dépasser complètement l'autodécharge inhérente à la batterie. Les chercheurs prédisent que doubler la surface du film PZT doublerait le courant, et l'augmentation de l'épaisseur du film PZT pourrait également augmenter le courant. Ces améliorations pourraient rendre les nanogénérateurs pyroélectriques attrayants pour piloter des capteurs sans fil, LCD, et autres petits appareils électroniques, juste en récoltant les changements de température dans l'environnement.

« Dans notre milieu de vie, le changement de température peut provenir d'une baisse de la température ambiante induite par le flux d'air, la génération de chaleur cyclée à proximité d'un moteur, éclairage du soleil avec une ombre en mouvement, allumer et éteindre le débit d'eau chaude/d'air dans un tuyau, etc.", a déclaré Zhong Lin Wang.

Actuellement, les chercheurs continuent d'améliorer la puissance de sortie du PENG et intègrent également la technologie avec certains produits existants pour démontrer ses applications pratiques.

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