Une source d’énergie proche pour les objets connectés

Sans fil, connectés, un nombre grandissant de petits appareils apparaît, se rendant utiles dans la vie quotidienne, dans l’industrie, la recherche et la santé. À Tours, une équipe de recherche du GREMAN (laboratoire de recherche en microélectronique, acoustique et nanotechnologies) développe et met en place le processus de fabrication d'un dispositif nouveau permettant de transformer l’énergie mécanique en électricité. Une source d’énergie directe, assurant l’autonomie de ces appareils.

Montres, capteurs autonomes ou dispositifs médicaux innovants, de plus en plus d’objets physiques se connectent à internet et échangent des informations les uns avec les autres. Cette nouvelle passerelle créée entre le physique et le virtuel a un nom : Internet of Things (Internet des Objets en français). Elle ouvre des perspectives dans de vastes domaines : la vie quotidienne (la domotique par exemple), la santé (avec les dispositifs médicaux, les capteurs et les outils de diagnostic intelligent) et l’industrie. Elle pose également des questions technologiques et sociétales complexes nécessitant la collaboration entre chercheurs et ingénieurs experts dans des domaines très variés.

De nouveaux défis techniques

D'un point de vue technique, ces nouveaux objets devront être portables, autonomes et fiables, ce qui requiert un nouveau mode d’alimentation en énergie, renouvelable et intégré à l’appareil. C’est la problématique sur laquelle s’est construit le projet de recherche européen EnSO (Energy for Smart Objects) impliquant laboratoires de recherche et industriels.

À Tours, dans le cadre de ce projet, l'équipe de recherche du GREMAN vise à développer des dispositifs de récupération d’énergie convertissant de l’énergie mécanique (libérée lors d’un mouvement) en énergie électrique. Il s'agit d'une transduction, un changement de la nature de l’énergie. Ces transducteurs énergétiques, associés à une micro-batterie (ou tout élément qui stockera l’énergie électrique), formeront une Micro-source d’Énergie Autonome, capable d'alimenter un composant électronique de faible consommation, comme un petit écran LCD (Liquid Crystal Display), un capteur ou un émetteur radio.

Utilisation des nanofils d'oxyde de zinc

Ces dernières années, l’équipe a développé une nouvelle forme de transducteur :
un nanogénérateur fonctionnant grâce au principe de la piézoélectricité : la propriété qu’ont certains matériaux à former un dipôle et ainsi produire une tension électrique, lorsqu’ils sont déformés. L’équipe a mis au point un procédé chimique permettant d’obtenir des  « filaments » ou nanofils d’oxyde de zinc (ZnO), matériau à la fois piézoélectrique et semi-conducteur. Ceux-ci « poussent » à la surface d’un support, formant un tapis de nanofils, recouvert par la suite de différentes couches, dont un polymère de protection souple. Lorsqu’une pression est appliquée sur le composant, les nanofils sont déformés et se chargent électriquement, ce qui permet d’alimenter un circuit externe.

La vidéo ci dessus, réalisée par les scientifiques avec l'appui des services de l'Université de Tours, explique de manière ludique le procédé de fabrication de ce composant.

Une fois perfectionné, ce nano-générateur pourrait alimenter en énergie des capteurs étant en contact direct avec un corps en mouvement, une source d’énergie mécanique naturelle (un fluide en mouvement par exemple) ou industrielle (une machine, un véhicule…) … Ce concept ouvre un vaste champ d’applications, moyennant une adaptation du prototype aux besoins de l’utilisateur.

Laboratoire GREMAN
Avenue Monge, 37200 Tours
vidéo et image : ©greman/univ.tours

Sources :

C. Justeau, T. Slimani Tlemcani, G. Poulin-Vittrant, K. Nadaud, D. Alquier, A comparative study on the effects of Au, ZnO and AZO seed layers on the performance of ZnO nanowire-based piezoelectric nanogenerators, Materials 12 (2019) 2511 https://doi.org/10.3390/ma12162511

K. Nadaud, G. Poulin-Vittrant, D. Alquier, Effect of the excitation waveform on the average power and peak power delivered by a piezoelectric generator, Mechanical Systems and Signal Processing 133 (2019) 106278 https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.106278

T. Slimani Tlemcani, C. Justeau, K. Nadaud, G. Poulin-Vittrant, D. Alquier, Deposition time and annealing effects of ZnO seed layer on enhancing vertical alignment of piezoelectric ZnO nanowires, Chemosensors 7(1) (2019) 7  https://doi.org/10.3390/chemos...

A. S. Dahiya, F. Morini, S. Boubenia, K. Nadaud, D. Alquier, G. Poulin-Vittrant, Organic/Inorganic hybrid stretchable piezoelectric nanogenerators for self-powered wearable electronics, Advanced Materials Technologies (2017) 1700249, 11 pp. https://doi.org/10.1002/admt.201700249