Triboelectric Nanogenerators: Les Perles de Plastique Alimentent la Technologie Portable

Une équipe internationale d’ingénieurs a récemment démontré un nouveau style de nanogénérateurs triboélectriques (TENG) qui améliore la création d’énergie et réduit les coûts de fabrication. La triboélectrification fait référence à l’exploitation de l’électricité créée par la charge statique. Cette source d’énergie propre et facilement disponible pourrait un jour débloquer un avenir plus vert.

Alors que la pression pour atteindre les émissions nettes de carbone à l’échelle mondiale augmente, une grande attention a été portée à la création d’alternatives énergétiques vertes. Notamment, les innovations dans les domaines de l’énergie solaire, éolienne et géothermique occupent la plupart des titres, tandis que d’autres méthodes comme la triboélectrification continuent de gagner en importance. Voici comment cette technologie pourrait un jour créer des accessoires améliorés, générer de l’énergie renouvelable et ouvrir la voie à des opérations plus sûres.

Triboelectric Nanogenerators (TENGs)

Les TENGs utilisent la charge statique générée lorsque les matériaux sont frottés les uns contre les autres. Lorsque certaines surfaces de matériaux entrent en contact avec des matériaux particuliers, une charge est produite. Cette charge statique peut être renforcée, permettant une génération électrique fiable.

Notamment, les TENGs actuels reposent sur de petites perles de plastique. Ces perles étroitement espacées ont des charges différentes, certaines étant négatives et d’autres positives. Lorsqu’elles sont frottées les unes contre les autres, la combinaison de frottement, d’adhésion et de séparation travaille ensemble pour créer un contact de surface supplémentaire, permettant à ces générateurs de maximiser leur production.

Problèmes avec les TENGs aujourd’hui

Il existe encore plusieurs questions sans réponse et des problèmes que les ingénieurs doivent surmonter pour rendre les TENGs une alternative fiable aux autres solutions énergétiques vertes. Pour une, il y a un manque de compréhension entourant la dissipation de charge et la meilleure façon de la contrôler. Ce fossé dans les connaissances doit être comblé afin d’améliorer les performances et la fiabilité des TANGs à l’avenir.

Source – Ignaas Jimidar

Jusqu’à récemment, on croyait que la triboélectrification nécessitait l’utilisation de matériaux variables dans les TENG. Par exemple, le polytétrafluoroéthylène et le polydiméthylsiloxane se sont avérés être des options fiables. Cependant, une équipe de chercheurs innovants vient de démentir cette croyance avec l’introduction de leur dernier design de TENG amélioré.

Étude sur les Triboelectric Nanogenerators

L’étude “Granular Interfaces in TENGs: The of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters“¹ cherche à éclairer les complexités de la dispersion de charge triboélectrique et de l’utilisation des matériaux.

Plus précisément, les ingénieurs présentent une nouvelle méthode qui prend en charge le comportement d’électrification par contact en utilisant des perles presque identiques. Cette approche réduit les coûts de fabrication et permet une personnalisation accrue.

Pour commencer, les ingénieurs ont créé un TENG à base de granulats qui intègre deux électrodes recouvertes de monocouches de perles de polymère monodisperses. Cette configuration sans solvant est plus sûre et plus efficace que les alternatives, car elle élimine les sous-produits chimiques nocifs et les risques.

Pour atteindre la génération sans solvant, les scientifiques ont déposé des perles monodisperses sur un substrat plan. Ils ont ensuite créé du frottement en frottant les couches les unes contre les autres. La forme des perles a créé un frottement roulant qui a augmenté la tension de surface.

Trouver les bonnes perles

Notamment, l’équipe a découvert que l’utilisation de différents types de perles dans le processus présentait certains avantages. Pour une, l’électrification entre certains grains a été améliorée en raison des différences existantes en termes de taille, de forme, de contrainte, de densité de charge de surface ou de rugosité de surface causées par l’humidité ou les facteurs environnementaux.

Les ingénieurs ont appris dès le départ que le type de perles utilisées aurait un impact sur les résultats finaux. Leur recherche a montré que de légères modifications dans la sélection des matériaux ont un impact important sur les capacités de génération d’énergie.

Matériau

L’équipe a testé de nombreux types de matériaux polymères au cours du processus. Ils ont noté que les matériaux polymères offrent une réponse aux stimuli et fournissent une base fiable. Plusieurs variantes de perles ont été disposées avant de s’arrêter sur les perles de mélamine-formaldéhyde (MF).

Les perles de MF ont présenté des avantages distincts lors de la charge triboélectrique. Pour une, elles offrent une meilleure rétention de charge et ont une faible élasticité. De plus, elles ont le module d’élasticité ou l’énergie de cohésion le plus élevé.

Elles présentent également toujours une charge positive lorsqu’elles sont en contact avec certains matériaux comme les perles de PMMA et présentent la charge la plus élevée en raison de leur module de Young plus élevé. Le module de Young est un algorithme utilisé pour mesurer la rigidité ou la résistance à la déformation élastique lorsqu’il est soumis à une charge.

Taille des perles

L’équipe a également expérimenté avec différentes tailles de perles. Plus précisément, les ingénieurs ont utilisé des particules monodisperses avec des diamètres de 0,5, 3 et 10 µm. Ils ont noté que les perles plus grandes étaient plus susceptibles de conserver une charge négative, tandis que les perles plus petites conservaient des charges positives.

Monocouches

Une fois que le matériau, la taille et l’espacement des perles ont été déterminés, les ingénieurs ont créé des monocouches du matériau. Selon leur rapport, l’équipe utilise des techniques d’assemblage de frottement de particules sans solvant sur des substrats revêtus de fluorocarbones.

Disposition

Cette disposition était la première fois que les scientifiques avaient utilisé des particules discrètes dans une configuration de monocouche compacte comme électrode de TENG. Cette approche offre la plus haute densité de paquetage hexagonal compacte (HCP) et offre plus de contact de surface tout en réduisant la surface, permettant ainsi plus d’échange de charge entre elles.

Fonctionnement des Triboelectric Nanogenerators

Pour faire fonctionner le nanogénérateur triboélectrique, un mouvement de frottement est initié. Cette action provoque le mélange de monocouches de poudres sèches de polyméthylméthacrylate (PMMA), de polystyrène (PS) et de résine de mélamine (MF) pour frotter. Cette action crée une triboélectrification entre les perles et les substrats.

Test des Triboelectric Nanogenerators

Les ingénieurs ont effectué plusieurs tests pour prouver l’efficacité de leur nouveau générateur. Une partie du processus de test comprenait des expériences de contact-séparation (CS). Plus précisément, les ingénieurs utilisent une microscopie à force de Kelvin (KPFM) et un microscope à force atomique (AFM) pour surveiller l’adhésion de surface, le phénomène d’électrification et les déformations élastiques.

Résultats des Triboelectric Nanogenerators

Les résultats des tests ont montré beaucoup de promesses pour cette technologie. Plus précisément, l’équipe a démontré un nouveau niveau de capacités de personnalisation, notamment le contrôle de la topographie de surface, de la géométrie, de la taille de contact et de l’homogénéité.

Ils ont découvert qu’une paire spécifique de densité de charge de surface peut être renforcée en recouvrant les électrodes avec la perle la plus petite ayant le module de Young le plus élevé. À partir de là, l’équipe a vérifié la longévité jusqu’à 10 000 cycles.

Le générateur a fonctionné comme prévu, produisant de l’énergie propre avec une dégradation des performances minimale. Comme tel, il est considéré par beaucoup comme l’une des meilleures options dans la lutte contre le changement climatique.

Avantages des Triboelectric Nanogenerators

Il existe plusieurs avantages qui font des Triboelectric Nanogenerators un choix intelligent. Pour une, ils offrent une option rentable et plus verte qui peut produire de l’électricité sur place. Cette dernière méthode de fabrication de TENG promet de réduire les coûts encore plus.

Longévité

Un autre avantage de la nouvelle disposition de TANG est la capacité de la restaurer à son état d’origine en frottant une poudre particulière sur sa surface. Cette capacité signifie que les Triboelectric Nanogenerators peuvent durer plus longtemps que leurs concurrents et offrir des coûts de maintenance plus bas dans l’ensemble.

Fabrication

La conception prend en charge la fabrication de TENG à faible coût et durable sans l’utilisation de solvants. Cette approche est plus rapide et plus propre. De plus, elle génère moins de pollution, et le produit final est personnalisable. Les ingénieurs peuvent même créer des monocouches, qui peuvent ensuite être intégrées dans de nouveaux styles de structures textiles.

Applications et calendrier réel des Triboelectric Nanogenerators :

Les Triboelectric Nanogenerators pourraient bouleverser plusieurs industries. Pour une, la capacité de créer des électroniques auto-alimentées est un changement de jeu. Cela réduit la dépendance à l’égard des sources d’énergie traditionnelles comme les batteries et offre une alternative plus verte qui peut être créée pour s’adapter aux facteurs de forme plus petits. Selon les ingénieurs, les applications commerciales pourraient émerger dans les 3 à 5 prochaines années à mesure que la technologie mûrit.

Récolte d’énergie

L’une des utilisations premières de cette technologie est la récolte d’énergie. Cette technologie pourrait être intégrée dans les maisons ou les appareils électroniques, éliminant ainsi le besoin de chargement. Imaginez que tous vos appareils électroniques fonctionnent sans piles, prises ou sources d’alimentation externes. Cette approche pourrait améliorer l’adoption et ouvrir une nouvelle ère de technologie.

Les nanogénérateurs triboélectriques pourraient être appliqués comme surface à d’autres solutions énergétiques vertes et améliorer les résultats. Par exemple, imaginez un moulin à vent qui génère également de l’électricité en raison de l’électricité statique entre les pales et l’air lorsqu’il tourne. La même technologie pourrait également aider à produire de l’énergie lorsqu’un moteur tourne.

Vêtements intelligents

Il y a eu beaucoup de discussions sur l’utilisation de cette technologie pour créer des vêtements intelligents. Pensez à un manteau qui peut se chauffer lui-même grâce à l’énergie générée lorsqu’il est porté. Ou imaginez pouvoir connecter votre smartphone à la prise de charge de votre chaussure. Tout cela et plus est possible en utilisant les Triboelectric Nanogenerators.

Lorsque l’on parle de vêtements du quotidien, c’est un bonus. Cependant, lorsque l’on augmente les enjeux et que l’on parle d’exploration, la perspective de vêtements intelligents auto-alimentés est un avantage considérable. Cela pourrait aider à assurer le confort et à prévenir des blessures inutiles. De plus, cela pourrait aider à garantir que des mesures de sécurité appropriées sont toujours en place.

VE

Les véhicules électriques pourraient bénéficier d’une amélioration significative des performances grâce à l’intégration de ces dispositifs. Puisque les générateurs triboélectriques produisent de l’énergie avec des émissions nulles sur place via l’électricité statique, ils offrent une alternative plus fiable et moins complexe aux câblages innombrables trouvés dans les véhicules d’aujourd’hui. À l’avenir, ces unités n’auront pas besoin d’alimentation à partir de la batterie centrale, car elles auront probablement leur propre source d’alimentation intégrée.

Chercheurs sur les Triboelectric Nanogenerators

​Les chercheurs du département de génie chimique de la Vrije Universiteit Brussel, de l’Université technique de Riga, de l’Institut royal de technologie de Melbourne et de l’Institut MESA+ de l’Université de Twente,igés par le Dr Ignaas Jimidar de VUB, ont tous contribué à donner vie à l’étude.

Maintenant, l’équipe cherche à améliorer l’efficacité et la fabrication pour permettre des applications à grande échelle. Leur objectif est de poursuivre la recherche sur divers matériaux et formes. À partir de là, ils souhaitent créer des partenariats stratégiques pour intégrer cette technologie dans des produits du monde réel.

Entreprise innovante à la pointe

Alors que les progrès dans les électroniques auto-alimentées et les solutions énergétiques alternatives se poursuivent, les entreprises à la pointe de la transmission d’énergie sans fil réalisent également des progrès importants. Alors que les nanogénérateurs triboélectriques offrent une voie prometteuse pour la génération d’énergie durable, d’autres entreprises innovent dans les technologies de charge sans fil, poussant les limites de la façon dont nous exploitons et distribuons l’énergie.

Il y a une course pour créer de l’énergie propre et la mettre à la disposition des masses. Les entreprises continuent d’investir dans des solutions énergétiques vertes et renouvelables qui pourraient un jour aider à prévenir de nouveaux dégâts climatiques.

La perspective de nouvelles possibilités pour les nanogénérateurs triboélectriques dans la vie quotidienne ouvre la porte à un avenir plus brillant. Voici une entreprise qui continue de créer de nouvelles et excitantes façons d’éliminer la dépendance à l’égard des sources d’énergie traditionnelles.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) est entrée sur le marché en 2012 sous le nom de DvineWave Inc. L’entreprise est située à San Jose, en Californie, et a été créée pour fournir des solutions et des infrastructures de charge sans fil au marché. Aujourd’hui, elle est reconnue comme l’une des principales innovatrices dans le secteur de l’énergie verte.

Energous Corporation a plusieurs produits qui l’ont aidée à gagner en reconnaissance sur le marché. Sa technologie de charge sans fil WattUp est l’option la plus populaire, offrant une charge fiable. L’entreprise fournit également une technologie de réseau de puissance sans fil (WPNT), comme des contrôles logiciels, des conceptions matérielles, des antennes et des puces de semi-conducteurs.

Notamment, Energeous détient plus de 200 brevets dans l’industrie de la technologie sans fil. De plus, c’est la première entreprise à avoir obtenu la certification FCC Part 18 pour la charge sans fil à distance. Tous ces facteurs, combinés avec la feuille de route éprouvée d’Energeous, font de WATT une action intelligente à étudier plus en détail.

Dernières nouvelles sur Energous Corporation

Triboelectric Nanogenerators – Ne jamais acheter de piles à nouveau

La perspective de générer de l’énergie grâce à l’électricité statique avancée est l’une qui passionne les analystes et les ingénieurs. L’introduction de technologies de pointe comme les accessoires auto-alimentés est susceptible de fournir davantage de capacités de surveillance et de communication au monde. Comme tel, ces ingénieurs méritent des éloges pour leurs efforts.

Découvrez d’autres nanotechnologies ici.

Études référencées :

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granular interfaces in TENGs: The of close‐packed polymer bead monolayers for energy harvesters. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}