Principe, conception structurelle et application des matériaux nanocomposites piézoélectriques renforcés par des fibres de carbone. Crédit : Université de Tohoku
Des chercheurs ont mis au point un dispositif qui transforme les vibrations environnementales en électricité à l’aide de composites piézoélectriques et de polymères renforcés de fibres de carbone. Le dispositif, baptisé C-PVEH, est durable, efficace et constitue une solution prometteuse pour l’alimentation des appareils IoT, annonçant des avancées dans les technologies à faible consommation d’énergie.
Un groupe de recherche international a conçu un nouveau dispositif de production d’énergie en combinant des composites piézoélectriques avec des polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC), un matériau couramment utilisé qui est à la fois léger et résistant. Le nouveau dispositif transforme les vibrations de l’environnement en électricité, fournissant un moyen efficace et fiable pour les capteurs auto-alimentés.
Les détails de la recherche du groupe ont été publiés dans la revue Nano Energy le 13 juin 2023.
La collecte d’énergie consiste à convertir l’énergie de l’environnement en énergie électrique utilisable et est essentielle pour garantir un avenir durable.
« Les objets du quotidien, des réfrigérateurs aux lampadaires, sont connectés à Internet dans le cadre de l’Internet des objets (IdO), et nombre d’entre eux sont équipés de capteurs qui collectent des données », explique Fumio Narita, coauteur de l’étude et professeur à l’École supérieure d’études environnementales de l’université de Tohoku. « Mais ces dispositifs IoT ont besoin d’énergie pour fonctionner, ce qui représente un défi s’ils se trouvent dans des endroits isolés ou s’ils sont nombreux. »
Les rayons du soleil, la chaleur et les vibrations peuvent tous générer de l’énergie électrique. L’énergie vibratoire peut être utilisée grâce à la capacité des matériaux piézoélectriques à produire de l’électricité lorsqu’ils sont soumis à une contrainte physique. Par ailleurs, le PRFC se prête à des applications dans les secteurs de l’aérospatiale et de l’automobile, de l’équipement sportif et de l’équipement médical en raison de sa durabilité et de sa légèreté.
« Nous nous sommes demandé si un capteur d’énergie vibratoire piézoélectrique (PVEH), exploitant la robustesse du CFRP avec un composite piézoélectrique, pourrait être un moyen plus efficace et plus durable de collecter de l’énergie », explique Narita.
Le groupe a fabriqué le dispositif en utilisant une combinaison de PRFC et de nanoparticules de niobate de potassium et de sodium (KNN) mélangées à de la résine époxy. Le CFRP a servi à la fois d’électrode et de substrat de renforcement.
Le dispositif C-PVEH a répondu aux attentes. Les tests et les simulations ont révélé qu’il pouvait maintenir des performances élevées même après avoir été plié plus de 100 000 fois. Il s’est avéré capable de stocker l’électricité produite et d’alimenter des lampes LED. En outre, il a surpassé d’autres composites polymères à base de KNN en termes de densité de production d’énergie.
Le C-PVEH contribuera à propulser le développement de capteurs IoT autoalimentés, conduisant à des dispositifs IoT plus économes en énergie.
Narita et ses collègues sont également enthousiasmés par les avancées technologiques de leur percée. « Outre les avantages sociétaux de notre dispositif C-PVEH, nous sommes ravis des contributions que nous avons apportées au domaine de la récolte d’énergie et de la technologie des capteurs. La combinaison d’une excellente densité de production d’énergie et d’une grande résilience peut orienter les recherches futures sur d’autres matériaux composites pour diverses applications. »
Référence : « Energy harvesting and wireless communication by carbon fiber-reinforced polymer-enhanced piezoelectric nanocomposites » par Yaonan Yu, Chao Luo, Hayato Chiba, Yu Shi et Fumio Narita, 13 juin 2023, Nano Energy.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108588