Du papier de verre pour fabriquer de l’électricité à partir de vibrations mécaniques

Les téléphones portables et les autres appareils électroniques connectés  qui nous entourent consomment de moins en moins d’énergie. On peut donc concevoir de leur fournir de l’électricité à partir des faibles énergies mécaniques qui se trouvent constamment disponibles dans notre environnement, par exemple celles due à nos mouvements ou nos déplacements, ou encore celles associées aux forces s’exerçant sur nos semelles. Des chercheurs du KAIST à Daejeon et  du KIMS à Changwon , Republic of Korea,  ont proposé, dans ce but d’utiliser une électrode en papier de verre recouvert d’une couche mince d’aluminium pour constituer un générateur triboélectrique puissant et de faible coût. On l’appelle nano-générateur par référence à la structure de surface nanométrique qui rend optimum ces électrodes.

La Triboélectricité est un phénomène électrostatique créé par le contact de deux matériaux différents : des électrons de la surface de contact d’un des matériaux sont transférés à l’autre et y restent lors de la séparation. Les mouvements des surfaces peuvent être obtenus par vibration ou par frottement. La rugosité de l’une des surfaces joue un grand rôle dans ce phénomène. Plus il existe de micro ou nano rugosités, plus élevée sera la charge déplacée.

En effet, pour élever la puissance des générateurs tribo-électriques, il faut augmenter la densité de charge électrique de surface due à la triboélectricité, ce qu’on peut obtenir en diminuant l’échelle de la rugosité de surface

Le papier de verre est peu onéreux, flexible, solide et très courant. Il a une rugosité dont l’échelle va du micromètre au nanomètre. On la mesure par le nombre de grains d’abrasif au cm2, plus celui-ci sera élevé, plus les grains seront petits.

Dans tout générateur triboélectrique il faut qu’il y ait une électrode pour assurer la conduction du courant. Un métal est tout indiqué, on a choisi ici l’aluminium, ductile, de haute conductivité et peu onéreux.

L’aluminisation du substrat par un procédé chimique

Au lieu de déposer l’aluminium en couche mince par évaporation, on a choisi une méthode chimique récente de dépôt par catalyse dans une solution. Cela s’avère bien plus pratique et bien moins onéreux. Le substrat est d’abord exposé à des vapeurs d’un catalyseur sublimé. Puis il est plongé dans une solution de AlH3{O(C4H9)2}. Celle-ci est préparée facilement par réaction de chlorure d’aluminium AlCl3 avec du tétrahydruro-aluminate de lithium (LiAlH4) dans de l’éther dibutylique (O(C4H9)2). On peut avec cette méthode traiter des feuilles de papier de verre de grandes dimensions, par exemple des feuilles A4 (21cm x 29,7cm. La figure suivante résume ce procédé.

 

Fig. 1. Substrat revêtu d’Al par le procédé en solution
a) Schéma des deux étapes du dépôt d’Al par le procédé en solution sur des supports rugueux variés de grande taille.
b) Schéma détaillé de la réduction de l’aluminium à partir du AlH3{O(C4H9)2}
c) Vues au microscope électronique à balayage de 4 types de substrat avant et après dépôt d’Al en solution.
Adapté de Large-sized sandpaper coated with solution processed aluminum for a triboelectric nanogenerator with reliable durability
Daewon Kim, Hye Moon Lee and Yang-Kyu Choi
The Royal Society of Chemistry Advances, 2017, 7, 137–144

 

Le nanogénérateur triboélectrique à électrode en papier de verre

Le générateur triboélectrique comprend plusieurs éléments (éclaté Fig.2a). Deux plaques acryliques (poly-méthacrylate de méthyle, PMMA)  sont reliées par 4 ressorts fixés à leurs 4 coins.  Les ressorts  ramènent à leur position d’équilibre les deux plaques PMMA qu’une  force de pression verticale peut avoir rapprochées. Le générateur triboélectrique proprement dit est constitué de deux électrodes fixées respectivement sur les deux plaques PMMA du haut et du bas. L’électrode supérieure est constituée d’ un film d’élastomère silicone (polydiméthylsiloxane, PDMS)  recouvert sur sa face supérieure d’une couche d’or servant à la conduction des charges électriques, Elle est collée à la plaque de PMMA du haut. Le film de PDMS  sert de couche diélectrique de contact avec l’électrode inférieure en papier de verre aluminé chimiquement. Le courant électrique  est généré par un mécanisme de contact-séparation entre électrode supérieure et électrode inférieure. La figure 2 b ci-dessous schématise le fonctionnement du générateur.

Fig.2 Structure et principe du générateur triboélectrique
a) Schéma du générateur triboélectrique à électrode en papier de verre : – à gauche, éclaté du dispositif, – à droite, configuration finale de celui-ci.
b) Illustration détaillée du flux de courant généré à travers une résistance de charge dans le mode contact-séparation.
Adapté de Large-sized sandpaper coated with solution processed aluminum for a triboelectric nanogenerator with reliable durability
Daewon Kim, Hye Moon Lee and Yang-Kyu Choi
The Royal Society of Chemistry Advances, 2017, 7, 137–144

Quand la couche de PDMS et le papier de verre aluminé viennent en contact sous l’effet d’une force extérieure verticale, des électrons de la surface de contact du papier de verre aluminé migrent sur la surface de contact en PDMS.  Il y a donc mouvement d’électrons de l’électrode du bas vers celle du haut par le contact, donc de haut en bas dans la résistance de charge. Le courant  y circule donc de bas en haut.  Au contraire, quand les deux surfaces de contact se séparent (grâce aux 4 ressorts), les électrons du papier de verre aluminé vont vers l’électrode du haut à travers la résistance de charge, le courant dans celle-ci va de bas en haut. De cette façon, la répétition des forces extérieures engendre un courant alternatif entre l’électrode du haut (Au) et l’électrode de contact du bas (Al).

Pour démontrer l’intérêt du générateur triboélectrique à papier de verre aluminé comme alimentation pour petits dispositifs électroniques, on a branché des DELs du commerce au nanogénérateur. Quand un vibreur extérieur l’entraîne à une fréquence de 3Hz, il alimente 120 DELs vertes montées en série.

Le montage est figuré sur la Fig.3.

Fig.3. Montage du nanogénérateur pour alimenter 120 DELs en série
Adapté de Large-sized sandpaper coated with solution processed aluminum for a triboelectric nanogenerator with reliable durability
Daewon Kim, Hye Moon Lee and Yang-Kyu Choi
The Royal Society of Chemistry Advances, 2017, 7, 137–144. C.C.A. 3.0

 

La vidéo suivante présente cette expérience.

Tiré de Large-sized sandpaper coated with solution processed aluminum for a triboelectric nanogenerator with reliable durability, Daewon Kim, Hye Moon Lee  and Yang-Kyu Choi, The Royal Society of Chemistry Advances, 2017, 7, 137–144. C.C.A. 3.0

L’électrode de contact réalisée en papier de verre recouvert d’Al par un procédé chimique en solution est le cœur de ce nanogénérateur triboélectrique. En utilisant ce même procédé, les chercheurs coréens ont préparé pour leur générateur des électrodes à partir de divers substrats, du papier ordinaire et plusieurs plastiques. C’est avec du papier de verre de grain 15000 qu’ils ont obtenu de loin les meilleurs résultats : une tension maxima de 270 V,  un courant maximum de 77µA et une densité de puissance maxima de 1,1mW/cm2. Ils ont montré que la puissance augmentait avec le nombre de grains d’abrasif.

Le nanogénérateur à papier de verre a une très grande résistance au frottement, donc une grande durée de vie. Le procédé chimique de dépôt d’aluminium est simple et peu coûteux, il s’effectue à la pression atmosphérique normale et peut s’appliquer à des substrats de grande taille ayant une structure de surface allant du micromètre au nanomètre. Ce dispositif peut servir d’alimentation pour nombre de dispositifs électroniques à basse consommation, par exemple les émetteurs radio de divers senseurs. Et il est tellement plus simple d’utiliser une surface nanométrique existante, celle du papier de verre, que de la fabriquer !

 

 

 

Pour en savoir plus :              

Large-sized sandpaper coated with solution processed aluminum for a triboelectric nanogenerator with reliable durability

Daewon Kim, Hye Moon Lee and Yang-Kyu Choi

The Royal Society of Chemistry Advances, 2017, 7, 137–144

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