Dans un laboratoire du Massachusetts Institute of Technology (MIT), Sangtae Kim a bricolé un appareil fin en papier de la taille d’un timbre. Kim s’intéresse à la récolte d’énergie des humains (mais ce n’est pas le genre qui transforme les gens en batteries dans le film, The Matrix). Il veut exploiter les mouvements, tels que la marche et la course, pour alimenter des capteurs et des gadgets portables.
» Il fournit une nouvelle façon de récolter l’énergie humaine « , explique Kim à propos de son prototype de dispositif, qu’il a décrit récemment dans un article co-écrit avec son conseiller, le professeur Ju Li et d’autres chercheurs.
» Tout mouvement est possible pour récolter, mais vous ne voudriez pas des vêtements pleins de moissonneuses. Je ciblerais les semelles des chaussures – c’est là que se trouve le plus d’énergie « , explique Kim.
L’idée d’utiliser le mouvement pour produire de l’électricité n’est pas nouvelle, bien qu’elle soit loin d’être banale. Il existe des vélos d’exercice stationnaires avec des moteurs pour transformer les entraînements en sueur au gymnase en énergie. Mais les récupérateurs d’énergie portables qui utilisent le mouvement humain n’ont pas été commercialisés, en partie parce qu’ils n’ont pas encore généré suffisamment d’énergie, explique Harry Zervos, analyste du cabinet d’études de marché IDTechEx.
Le concept d’énergie humaine est prometteur. L’utilisation d’énergie qui serait autrement gaspillée est attrayante à un moment où les plans de lutte contre le changement climatique incluent l’utilisation de moins d’énergie ou d’énergie avec des émissions de carbone plus faibles.
Kim vise un marché croissant de l’électronique grand public. Selon IDC, un cabinet d’études de marché, les livraisons d’appareils électroniques portables dans le monde devraient passer de 111 millions d’appareils prévus en 2016 à 214,6 millions en 2019. IDTechEx s’attend à ce que les ventes annuelles de wearables passent de 20 milliards de dollars en 2015 à près de 70 milliards de dollars en 2025.
Recherche de batteries plus petites et plus puissantes
Les appareils portables collectent et communiquent des données sans fil, comme les téléphones portables, et prolonger la durée de vie de la batterie est l’un des grands défis techniques pour les concepteurs. Et tout comme les téléphones portables, ils sont sur le point de devenir plus minces et plus sophistiqués. Les concepteurs d’appareils portables – tels que l’Apple Watch, les Google Glass et les bracelets de fitness et de santé – recherchent une technologie qui pourrait permettre à ces gadgets de fonctionner plus longtemps entre la charge. Cela signifie des batteries qui peuvent emballer plus d’énergie dans un espace plus petit ou des appareils qui pourraient autrement fournir un regain d’énergie sans avoir besoin de se brancher au mur.
Les batteries lithium-ion, qui alimentent également la majorité des appareils électroniques grand public tels que les ordinateurs portables, sont la source d’alimentation idéale pour les appareils portables. Mais leurs performances diminuent lorsqu’elles doivent se rétrécir pour s’adapter à des espaces plus étroits, selon Christine Ho, PDG d’Imprint Energy, un développeur de batteries en Californie.
» C’est une énigme pour les concepteurs de produits, qui commencent à réaliser qu’ils doivent penser de manière plus créative « , explique Ho. « Les nouvelles batteries ont la possibilité de répondre à la demande. »
Les fabricants de gadgets, tels que Samsung, expérimentent des batteries plus minces et flexibles afin qu’elles puissent plus facilement s’intégrer dans des appareils portables qui s’enroulent autour du doigt, du poignet et de la cheville. Imprint Energy développe des batteries au zinc ultra-minces et flexibles, qui peuvent stocker plus d’énergie dans un volume donné que le lithium et sont sûres et non toxiques, explique Ho.
Mais ces technologies de batteries émergentes ont tendance à être coûteuses et difficiles à produire en série. Les ventes de batteries ultra-minces et flexibles pour appareils portables devraient atteindre 300 millions de dollars d’ici 2020, explique Tony Sun, analyste du cabinet d’études de marché Lux Research. Les ventes pourraient atteindre 4 milliards de dollars d’ici là, prédit-il, mais seulement si le prix de ces batteries peut atteindre les niveaux des batteries lithium-ion. Cela nécessiterait des investissements importants pour les percées techniques, ajoute Sun.
Récupération d’énergie
L’idée d’exploiter les mouvements humains est venue à Kim un soir de décembre 2013, lorsqu’il a reçu un e-mail de Li, qui venait d’assister à une réunion de chercheurs en science des matériaux où les discussions sur les batteries au lithium-ion incluaient une discussion sur le stress sur la batterie. L’application de contraintes sur une batterie au lithium modifie la tension et réduit la capacité de la batterie. Mais si vous pouviez transformer ce stress en avantage?
» C’était un courriel en deux phrases qui m’a complètement réveillée « , se souvient Kim. « Ensuite, j’ai commencé à concevoir cet appareil. Il m’a fallu un an pour le construire et une autre année pour bien comprendre ce qu’il faisait. Nous voulions nous assurer que ce n’était pas un effet secondaire. »
Ce que Kim a proposé, c’est un appareil qui a une structure similaire à celle d’une batterie: deux électrodes conductrices séparées par un électrolyte liquide. Contrairement à une batterie, la moissonneuse d’énergie utilise le même composé, un mélange de lithium et de silicium, pour les deux électrodes. Cela crée un effet de volleying lorsque le stress physique est appliqué.
La pression force une électrode à cracher des ions lithium et, dans le processus, perturbe un équilibre qui provoque l’ouverture de l’autre électrode et l’acceptation du lithium rejeté. L’électrolyte les force à se séparer en ions lithium et en électrons. Les électrons traversent un circuit et sont capturés sous forme d’électricité. Les électrons rencontrent ensuite des ions lithium à l’autre extrémité et se déplacent dans l’électrode.
La flexion de l’appareil enlève la contrainte et fait voyager les électrons et les ions lithium dans l’autre sens. Cette inversion crée un autre flux de courant électrique avant que les deux ne retournent à l’électrode d’origine.
Le prototype de Kim ne génère pas encore assez d’électricité pour les appareils portables. Il dit qu’il doit augmenter son efficacité – le pourcentage d’énergie mécanique convertie en électricité – de 0.6% à 6%, pour le rendre suffisamment puissant pour des appareils tels que des bracelets.
Augmenter la production d’énergie et la durée de vie d’une moissonneuse d’énergie sera crucial pour populariser son utilisation, explique Kevin Lloyd, cofondateur et responsable de la technologie chez Whistle Labs, basé en Californie, qui a développé un collier pour animaux de compagnie basé sur le GPS pour suivre l’emplacement, la santé et les autres activités de votre ami à quatre pattes.
» Lorsque nous examinons la construction d’appareils portables, nous équilibrons la science, la durée de vie de la batterie et le coût « , explique Lloyd. « Vous ne voulez pas avoir à enlever le collier de votre animal pour charger tous les jours. Lorsque vous êtes en vacances pour une ou deux semaines, vous voulez que cela dure tout ce temps. »
Un autre obstacle pour faire fonctionner la moissonneuse d’énergie: les mouvements de notre corps ne sont ni prévisibles ni cohérents, ce qui rend difficile la génération d’une quantité fiable d’énergie à un moment donné, explique Ho.
Relever le défi de concevoir ses recherches sur un gadget portable sera important, reconnaît Kim, ajoutant qu’il a déjà entendu parler de quelques entreprises, y compris des fabricants de montres intelligentes et de dispositifs médicaux, qui souhaitent intégrer le processus de récupération d’énergie.
» Mais nous devons d’abord rendre cette technologie plus mature, avant de penser à la commercialiser « , dit-il.
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