Système de récupération d’énergie cinétique électrochimique efficace avec des nanomatériaux – KineHarvest

<Objectifs généraux>
Le projet KineHarvest vise à développer un système de récupération d'énergie cinétique électrochimique qui convertit l'énergie mécanique à basse fréquence (0,1~10 Hz) de divers mouvements cinétiques tels que les mouvements du corps humain. Nous avons développé une nouvelle cellule de récupération d'énergie électrochimique avec une structure hybride (appelée cellule hybride) constituée d'une électrode de type supercondensateur et d'une électrode de batterie. La conversion cinétique en énergie électrique se produit par un effet de balayage sélectif des ions sur la surface du supercondensateur lorsqu'il y a un écoulement d'électrolyte. Sur la base de ce nouveau concept, nous étudierons l’optimisation du phénomène via l’utilisation de nanomatériaux d’électrolyte et d’électrode choisis pour exalter l'efficacité du balayage ionique et augmenter ainsi la tension de sortie. Pour cela, nous chercherons à comprendre le principe fondamental du comportement de balayage ionique induit par l'écoulement en utilisant la technique de tomographie microfluidique que nous avons développée récemment.

<Défis>
1. Les techniques actuelles de récupération d'énergie basées sur la triboélectricité ou la piézoélectricité sont optimisées pour les vibrations à haute fréquence (20~500 Hz). Cependant, les énergies cinétiques disponibles naturellement (par exemple les mouvements humains, les vents, les vagues, les marées océaniques etc...) ont généralement une fréquence inférieure à 10 Hz et des impulsions irrégulières. La récupération d’énergie de ces mouvements de basses fréquences est peu explorée et constitue donc la motivation du projet KineHarvest.
2. Le phénomène de balayage ionique induit par flux de liquide - principe clé de notre système de récupération d'énergie - est nouveau, et son mécanisme n'est pas encore compris. Techniquement, augmenter la quantité de charges ioniques balayée par mouvement cinétique améliorera l'efficacité de conversion d'énergie. Jusqu'à présent, il n'y a pas eu de caractérisations expérimentales permettant d’évaluer quantitativement l'influence du balayage ionique sur la réponse électrochimique. Notre nouvelle méthode d’analyse microfluidique est notamment capable de réaliser une tomographie en flux 3D et un suivi en temps réel du cisaillement fluctuant au site local près de l'interface. Cette technique donc convient parfaitement pour corréler les paramètres hydrodynamiques et la réponse électrochimique par le balayage ionique à l'interface électrolyte-électrode.
3. Une condition clé pour atteindre la tension de sortie maximale de la cellule hybride est la sélectivité du comportement de balayage ionique qui ne doit concerner que l'électrode de supercondensateur. Par conséquent, l’électrode opposée doit réaliser un stockage d'ions dans le volume de l’électrode tel que dans un matériau de batterie. Cependant, même les matériaux de la batterie contiennent des ions adsorbés sur leur surface qui peuvent être balayés sous le flux. Il est donc nécessaire de comprendre l’influence de ces ions adsorbés sur le stockage de charges.

<Objectifs ultimes>
Notre performance de cellule hybride ciblée est la densité de courant de 1 mA/cm2 en entrée cinétique du corps humain, ce qui est supérieure d'un ordre de grandeur à celle des systèmes piézoélectriques et triboélectriques de l'état de l'art. L'impédance de sortie à puissance maximale sera de quelques dizaines d’Ohm, ce qui est également inférieur de quatre à cinq ordres de grandeur à l'état de la technique. Un tel principe de récupération d'énergie cinétique très efficace sera appliqué aux dispositifs auto-alimentés portables et au « Internet of things » (IoT) pour les gadgets portables en transformant efficacement l'énergie de toutes sortes de mouvements corporels et de vibrations flottantes en électricité.