La plupart d’entre nous ont ressenti le choc de l’électricité statique en touchant un objet métallique après avoir enfilé un pull ou marché sur un tapis. Cela se produit à la suite d’une accumulation de charge chaque fois que deux matériaux différents (tels que notre corps et le tissu) entrent en contact l’un avec l’autre.
En 2012, des scientifiques américains et chinois ont utilisé ce phénomène, appelé « effet triboélectrique », pour construire un nanogénérateur triboélectrique (TENG) qui convertit l’énergie mécanique inutilisée en énergie électrique utile. Leur dispositif se composait de deux films polymères triboélectriques avec des électrodes métalliques, qui, lorsqu’ils étaient réunis et séparés, entraînaient une séparation de charge et le développement d’une tension électrique suffisante pour alimenter de petits appareils électroniques.
Considérés comme des récupérateurs d’énergie durables potentiels, des efforts ont été faits pour améliorer la puissance de sortie des TENG en injectant des charges à la surface des films triboélectriques. Cependant, la recombinaison de charge dans l’électrode et la répulsion de charge à la surface du matériau les empêchent d’atteindre des densités de charge de surface élevées.
Dans ce contexte, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Chanho Pak du Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) en Corée du Sud a développé, dans une étude récente, une couche de confinement de charge qui gère le transfert des charges injectées entre le film triboélectrique et l’électrode pour améliorer la densité de charge sur la surface du film triboélectrique. Cet article a été publié dans Petites méthodes.
« Dans la conception de TENG hautes performances, il est essentiel de transporter la charge à la surface vers une position profonde tout en réduisant la recombinaison de charge », explique le professeur Pak. Pour fabriquer les couches, les chercheurs ont utilisé des sphères de carbone mésoporeuses électrofilées avec des couches de fluorure de polyvinylidène (PVDF) et de nylon. Les sphères de carbone, qui piègent les charges à la surface, ont été disposées par ordre croissant de leurs surfaces spécifiques, créant une couche de confinement de charge à gradient. Du fait de cette disposition en gradient, les charges injectées pouvaient dériver vers l’électrode mais étaient confinées juste avant de l’atteindre. « Les couches transportent et confinent les charges », explique le professeur Pak.
En transportant les charges loin de la surface, les couches empêchent les charges injectées de s’accumuler et de se repousser à la surface du matériau triboélectrique, lui permettant de retenir plus de charge. De plus, le confinement des charges à proximité des électrodes empêche la perte de charge due à la recombinaison, ce qui donne une surface triboélectrique avec une densité de charge plus élevée.
Avec l’ajout de couches de confinement de charge, les chercheurs ont amélioré la tension et le courant de sortie du TENG de 40 et sept fois, respectivement. De plus, en combinant un TENG cylindrique et un générateur électromagnétique, ils ont obtenu une amélioration spectaculaire de 1300 fois du courant de sortie.
« Avec ces résultats prometteurs, les TENG pourraient un jour être suffisamment puissants pour servir de collecteurs d’énergie durable ainsi que d’appareils portables d’alimentation du futur », déclare le professeur Pak.
Seokjun Cha et al, Série triboélectrique contrôlable utilisant une couche de confinement de charge positive et négative à gradient avec différentes tailles de particules de matériaux carbonés mésoporeux, Petites méthodes (2022). DOI : 10.1002/smtd.202101545
Fourni par GIST (Institut des sciences et technologies de Gwangju)