Le textile portable capte l'énergie des mouvements du corps pour alimenter les appareils

5 juin 2023

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par Tsinghua University Press

Les nanoscientifiques ont développé un textile portable qui peut convertir les mouvements du corps en électricité utilisable et même stocker cette énergie. Le tissu a potentiellement une large gamme d'applications allant de la surveillance médicale à l'aide aux athlètes et à leurs entraîneurs pour suivre leurs performances, ainsi que des affichages intelligents sur les vêtements.

L'équipe de recherche responsable du textile décrit son fonctionnement dans un article publié dans Nano Research Energy.

Des montres intelligentes aux écouteurs sans fil, les gens ont déjà accès à une large gamme d'appareils électroniques portables. Une gamme de moniteurs de santé, de sport et d'activité est désormais intégrée aux smartphones.

Mais la précision de tels capteurs reste limitée en raison de la poignée d'emplacements sur ou à proximité du corps où ils peuvent être placés, et restreinte à une petite fenêtre d'applications par rapport aux ambitions de nombreux spécialistes de la santé et du sport pour une telle technologie.

À l'avenir, si des tissus avancés peuvent être développés, alors peut-être que des appareils électroniques portables intégrés dans des chemises, des pantalons, des sous-vêtements et des chapeaux pourront suivre les indicateurs de fragilité pour évaluer le risque de maladie liée à l'âge, surveiller les niveaux de cortisol pour suivre les niveaux de stress, ou même détecter des agents pathogènes dans le cadre d'un réseau mondial de surveillance des pandémies.

Pour faire passer l'électronique portable à un niveau supérieur, intégrer des moniteurs de santé, des capteurs sportifs, des systèmes de navigation et des trackers d'activité dans les vêtements d'une manière légère, discrète et moins encombrante nécessite encore des percées majeures dans les textiles avancés.

L'un des défis de l'électronique portable existante provient des limitations de la flexibilité et donc de la portabilité des composants qui fournissent de l'énergie aux appareils. De plus, les unités d'alimentation en énergie doivent être facilement intégrables aux appareils et, à une époque de sensibilisation accrue à l'environnement, durables. De plus, les technologies de stockage d'énergie existantes ont une capacité très limitée. Les batteries et les supercondensateurs peuvent stocker de l'énergie, mais ils ne peuvent pas produire d'énergie spontanément sans source d'alimentation externe.

"Les piles ne sont pas non plus très confortables à porter", a déclaré Feifan Sheng, auteur principal du spécialiste du papier et des nanosystèmes à l'Institut des nanoénergies et des nanosystèmes de Pékin de l'Académie chinoise des sciences. "Le développement d'alimentations portables et auto-rechargeables est donc crucial."

L'équipe de nanoscientifiques du professeur Dong a produit ce qu'ils appellent une "fibre-TENG", une structure flexible, tricotable et portable qui tire parti de l'effet triboélectrique, dans laquelle certains matériaux se chargent électriquement après être entrés en contact par friction avec un autre matériau différent. L'électricité statique courante, par exemple, implique l'électrification induite par contact de l'effet tribolélectrique.

La fibre-TENG se compose de trois couches : une couche d'acide polylactique (un type de polyester couramment utilisé dans l'impression 3D), une couche d'oxyde de graphène réduit (un type de graphène très abordable) et une couche de polypyrrole (un polymère déjà largement utilisé en électronique et en médecine).

Lorsque la fibre-TENG est soumise à une déformation mécanique, telle qu'une flexion ou un étirement par la personne portant un vêtement tricoté à partir du textile, les charges triboélectriques générées par le contact entre les couches d'acide polylactique et d'oxyde de graphène réduit peuvent être collectées par la couche de polypyrrole. Ce processus génère une sortie électrique qui peut être utilisée comme unité de production d'énergie.

La clé du développement de la fibre-TENG était un nouveau procédé utilisé pour préparer la fibre d'oxyde de graphène à utiliser dans un supercondensateur en forme de fibre coaxiale (fibre-SC) - l'installation de stockage d'énergie intégrée dans le textile. Une structure coaxiale offre une grande stabilité lors de la flexion et de la torsion.

Le processus consiste à ajouter les matériaux actifs (ceux qui peuvent stocker et libérer de l'énergie électrique) sur la surface des fibres d'oxyde de graphène réduit (rGO). Tout d'abord, les chercheurs ont produit les fibres rGO via une application d'acide iodhydrique. Ensuite, ils ajoutent deux matériaux actifs, le dioxyde de manganèse (MnO2) et le polypyrrole (PPy), sur la surface des fibres rGO en utilisant un processus appelé électrodéposition - une méthode de dépôt d'un matériau sur une surface en appliquant un courant électrique.

Cela a créé un matériau d'électrode négative appelé rGO-PPy-MnO2 qui est utilisé dans la fibre-SC. Un matériau d'électrode positive a ensuite été fabriqué en enduisant uniformément des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) avec de l'alcool polyvinylique et un électrolyte d'acide phosphorique à la surface du rGO-PPy-MnO2.

En testant leur textile fibre-TENG, les chercheurs ont découvert qu'il bénéficie d'une densité d'énergie élevée et d'une longue stabilité sur les cycles de charge et de décharge, renforçant ainsi sa promesse de fournir une génération et un stockage d'énergie portables.

L'équipe souhaite maintenant commencer à explorer les utilisations potentielles de son textile dans des applications réelles. Pour cela, ils devront optimiser le processus de conception et de fabrication du textile électrique et étudier ses performances dans différentes conditions, ainsi que développer un processus de fabrication évolutif utilisable dans des opérations commerciales au-delà du laboratoire.

Plus d'information: Feifan Sheng et al, Textiles hybrides portables de récupération et de stockage d'énergie en tant que systèmes d'alimentation auto-rechargeables sur le corps, Nano Research Energy (2023). DOI : 10.26599/NRE.2023.9120079

Fourni par Tsinghua University Press