Le marché des technologies portables a connu une croissance explosive au cours de la dernière décennie, avec des dispositifs allant des moniteurs de fitness et des montres intelligentes aux moniteurs médicaux et des lunettes de réalité augmentées devenant omniprésents. Comme ces dispositifs accumulent davantage de capteurs, de puissance de traitement et de connectivité sans fil en des facteurs de forme toujours plus petits, la demande de sources d'énergie fiables et durables est devenue un goulot d'étranglement critique. Les batteries au lithium-ion traditionnelles, tout en s'améliorant, nécessitent encore fréquemment des rechargements et, éventuellement, des dégradations, contribuant aux déchets électroniques.

Comprendre les usures par l'énergie

Les appareils à usage domestique sont des appareils qui intègrent des transducteurs et des circuits de gestion de l'énergie pour convertir l'énergie ambiante en énergie électrique utilisable. L'objectif est de compléter ou de remplacer entièrement les batteries, en étendant indéfiniment le fonctionnement des appareils dans des conditions normales. Le concept n'est pas nouveau — les montres-bracelet utilisées pour le mouvement mécanique des ressorts à vent — mais les progrès modernes en microélectronique, en conception à faible puissance et en matériaux nouveaux ont considérablement élargi ce qui est possible.

Technologies de base pour la récolte d'énergie

Piézoélectriques: récolte d'énergie

Les matériaux piézoélectriques génèrent une charge électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique — compression, flexion ou étirement. Dans les articles à porter, cette contrainte provient du mouvement du corps: marche, course, bras oscillant, respiration, ou même battement du cœur. L'exemple classique est un insert de chaussure qui récolte de l'énergie à partir de frappes de talon, mais la recherche moderne a produit des piézoélectriques souples et à film mince qui peuvent être tissés dans des tissus ou fixés à la peau. Les progrès récents comprennent des céramiques piézoélectriques sans plomb comme le niobate de sodium de potassium (KNN) qui correspondent aux performances des matériaux traditionnels à base de plomb tout en étant plus sûrs de l'environnement.

Récolte d'énergie thermoélectrique

Les générateurs thermoélectriques (TEG) exploitent l'effet Seebeck : une différence de température à travers un matériau semi-conducteur produit une tension. Le corps humain est une source de chaleur constante à ~37°C, tandis que l'environnement ambiant est généralement plus frais, créant un gradient thermique constant. Les TEG portables sont généralement placés sur le poignet, la poitrine ou d'autres zones où le contact de la peau est bon et où la dissipation de la chaleur dans l'air est possible. Les TEG traditionnels utilisent des blocs de tellure rigides en bismuth, mais des modules thermoélectriques flexibles ont été développés à l'aide d'encres thermoélectriques imprimables, de dépôts de films minces et de composites polymères.

Récolte d'énergie photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques (PV) convertissent la lumière en électricité. Pour les appareils portables, la clé est d'utiliser des cellules solaires minces, flexibles et efficaces qui peuvent être intégrées dans des vêtements, des sacs à dos ou des visages de montres. Les progrès dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV), les cellules solaires perovskite et les cellules solaires sensibilisées aux colorants ont permis des panneaux légers et pliables qui maintiennent une efficacité raisonnable sous éclairage intérieur et extérieur. Les cellules Perovskite ont atteint des rendements supérieurs à 25% dans les laboratoires, et les versions flexibles se rapprochent de 20% – concurrence avec les panneaux en silicium rigide.

Nanogénérateurs triboélectriques (TENGs)

Les nanogénérateurs triboélectriques fonctionnent selon le principe de l'électrification de contact et de l'induction électrostatique: lorsque deux matériaux différents entrent en contact puis se séparent, la charge est transférée entre eux. Les cycles de séparation de contact répétés génèrent un courant alternatif. Les TENG sont particulièrement attrayants pour les appareils à porter car ils peuvent récolter de l'énergie à partir de mouvements irréguliers de basse fréquence comme la marche, le tapotage, ou même le léger mouvement de frottement des vêtements contre le corps. La technologie a été lancée par le groupe Zhong Lin Wang , groupe Georgia Tech en 2012, et elle a progressé rapidement. Les TENG modernes peuvent être fabriqués à partir de polymères flexibles (p. ex. PTFE, PDMS, Kapton), textiles, et même papier. Ils peuvent être conçus comme des patchs, tissus ou chaussures.

Innovations récentes et percées matérielles

Le champ de la récolte d'énergie pour les articles usables a connu plusieurs évolutions transformatrices au cours des dernières années. L'un des plus importants est la montée des moissonneurs hybrides — dispositifs qui combinent deux ou plusieurs mécanismes de conversion dans un seul système. Par exemple, un bracelet peut intégrer des bandes piézoélectriques qui récoltent le mouvement avec un module thermoélectrique qui capte la chaleur corporelle, plus une cellule solaire flexible sur le dessus. En fusionnant plusieurs sources, les systèmes hybrides peuvent fournir une puissance plus stable dans des conditions variées.

Les matériaux graphiés à base de graphiène sont également intégrés pour améliorer la durabilité, car les matériaux usure doivent résister à la flexion, au torsion et au blanchiment. Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont développé un matériau thermoélectrique auto-guérisant qui répare automatiquement les petites fissures, prolonge la durée de vie des appareils. De plus, la fabrication additive (3D) permet aux moissonneurs en forme de mesure qui se conforment parfaitement au corps, maximisant la capture d'énergie. Les circuits intégrés de gestion de l'énergie (CMIP) optimisés pour les tensions d'entrée ultra-faibles ont également progressé, permettant une rectification et un stockage efficaces de l'énergie récoltée dans de petites batteries à film mince ou surcondensateurs.

Applications du monde réel

Les articles usables qui récoltent de l'énergie sont utilisés dans plusieurs domaines, passant des prototypes de laboratoire aux produits commerciaux et aux essais sur le terrain.

Santé et surveillance médicale

La surveillance continue de la santé - fréquence cardiaque, glycémie, température, respiration - nécessite des capteurs toujours allumés. Les dispositifs de récupération d'énergie et les bandages intelligents peuvent se alimenter en chaleur ou en mouvement corporel, éliminant ainsi le besoin pour les patients de changer de batteries. Par exemple, le projet NIHS - -auto-capteur biosensor - - utilise un TENG pour alimenter un moniteur de glucose à base de sueur.

Fitness et sports

Des chaussures de course avec inserts piézoélectriques intégrés aux montres GPS à propulsion solaire, le marché sportif a embrassé la récolte d'énergie. Des entreprises comme Sole Power et LuminAID ont commercialisé des semelles de récupération d'énergie et des accessoires solaires. Les athlètes qui passent des heures à l'extérieur profitent le plus du solaire, tandis que ceux en mouvement variable bénéficient de solutions piézoélectriques ou triboélectriques.

Utilisation militaire et tactique

Le Laboratoire de recherche de l'Armée a investi beaucoup dans des uniformes de récolte d'énergie qui intègrent des fibres piézoélectriques, des patchs thermoélectriques et des cellules solaires flexibles. Ceux-ci peuvent réduire le poids des batteries que les soldats doivent transporter, améliorant considérablement la mobilité et l'endurance de la mission.Le programme US Army - -Compatibilité Conforme de batterie - explore également l'intégration de la récolte avec le stockage de l'énergie.

Électronique de consommation et IdO

Les montres intelligentes comme le Seiko Kinetic (charge mécanique) et le Citizen Eco-Drive (solaire) ont longtemps utilisé la récolte d'énergie. La prochaine génération de consommables destinés à la consommation vise à être entièrement autoalimentés. Par exemple, le concept -E-Patch de Samsung combine la récolte thermoélectrique et photovoltaïque pour garder une montre intelligente fonctionnant indéfiniment sous l'usure normale.

Principaux avantages de l'adoption de la conduite

La transition vers les piles à usage unique permet de réduire les déchets toxiques et l'empreinte carbone associée à la production et à la charge des piles. Deuxièmement, convenance[: les utilisateurs n'ont plus besoin de se souvenir de charger leurs appareils ou de transporter des chargeurs; cela est particulièrement précieux pour les appareils médicaux qui doivent fonctionner en continu. Troisièmement, économies de coûts[: au cours de la durée de vie d'un appareil, l'élimination du remplacement de la batterie peut réduire le coût total de possession, même si le matériel initial est plus coûteux. Quatrièmement, fiabilité[: les systèmes de récupération d'énergie avec des surcondensateurs de secours peuvent fournir de l'énergie même si une batterie échoue ou se dégrade. Enfin, liberté de conception: des batteries plus petites ou pas de piles permettent des facteurs de forme plus minces, plus légers et plus confortables, permettant de nouvelles applications comme les textiles électroniques et les textiles intelligents.

Défis à relever

L'efficacité[ demeure relativement faible: même les meilleurs moissonneurs ne captent qu'une fraction de l'énergie ambiante disponible, et la production est souvent intermittente. L'adéquation de la production de l'appareil aux besoins de l'appareil nécessite une conception prudente du système — la plupart des appareils doivent encore être portés à une batterie ou à un surcondensateur pour tamponner l'énergie. La durabilité[ est une autre préoccupation: les matériaux souples se dégradent sur des milliers de cycles de flexion et les textiles lavables doivent survivre aux détergents et à la chaleur sèche. L'intégration est un défi pour les fabricants: l'ajout de moissonneuses et de circuits de gestion de l'énergie ajoute coût, complexité et peut affecter l'esthétique et le confort des appareils. La gestion de l'énergie] les appareils électroniques doivent fonctionner efficacement à de très faibles tensions (souventilant des centaines de millivolts) et la gestion de multiples sources

L'avenir des usures énergétiques

Les perspectives de la récolte d'énergie sont brillantes, les analystes du marché prédisant un taux de croissance annuel composé de plus de 20 % jusqu'en 2030 selon MarketsetMarkets. La recherche se dirige vers des systèmes entièrement autonomes qui combinent plusieurs technologies de récolte avec un stockage d'énergie avancé (p. ex., des batteries à l'état solide ou des microcondensateurs).Les algorithmes d'apprentissage de la machine sont en cours de développement pour prévoir la disponibilité de l'énergie et gérer dynamiquement la consommation d'énergie.Une autre direction passionnante est l'intégration de la récolte d'énergie directement dans des composants électroniques, tels que des capteurs qui génèrent leur propre puissance lors de la détection.

En résumé, les articles usables qui se vendent de l'énergie représentent une convergence entre l'innovation en matière de matériaux, la conception de circuits de faible puissance et l'ingénierie human-centrique. Bien que des défis subsistent, le rythme des progrès laisse croire que, dans cette décennie, bon nombre des articles usables que nous utilisons seront au moins partiellement autoalimentés, réduisant ainsi notre dépendance à l'égard des piles et des combustibles fossiles.