De minuscules fils pourraient fournir un énorme gain d’énergie

Les images à télécharger sur le site Web du bureau MIT News sont mises à la disposition des entités non commerciales, de la presse et du grand public sous une licence Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. Vous ne pouvez pas modifier les images fournies, sauf pour les recadrer à leur taille. Une ligne de crédit doit être utilisée lors de la reproduction d'images ; si aucune n'est fournie ci-dessous, créditez les images à « MIT ».

Image précédente Image suivante

Les appareils électroniques portables destinés à la surveillance de la santé et de la condition physique constituent un domaine en croissance rapide de l'électronique grand public ; l'une de leurs plus grandes limites est la capacité de leurs minuscules batteries à fournir suffisamment d'énergie pour transmettre des données. Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et du Canada ont découvert une nouvelle approche prometteuse pour fournir les rafales de puissance courtes mais intenses nécessaires à de si petits appareils.

La clé réside dans une nouvelle approche pour fabriquer des supercondensateurs, des dispositifs capables de stocker et de libérer de l'énergie électrique lors de telles rafales, nécessaires à de brèves transmissions de données à partir d'appareils portables tels que des moniteurs de fréquence cardiaque, des ordinateurs ou des smartphones, selon les chercheurs. Ils peuvent également être utiles pour d’autres applications où une puissance élevée est nécessaire dans de petits volumes, comme les microrobots autonomes.

La nouvelle approche utilise des fils fabriqués à partir de nanofils de l'élément niobium, comme électrodes dans de minuscules supercondensateurs (qui sont essentiellement des paires de fibres électriquement conductrices avec un isolant entre elles). Le concept est décrit dans un article paru dans la revue ACS Applied Materials and Interfaces par le professeur de génie mécanique du MIT, Ian W. Hunter, le doctorant Seyed M. Mirvakili et trois autres personnes de l'Université de la Colombie-Britannique.

Les chercheurs en nanotechnologie s’efforcent depuis une décennie d’augmenter les performances des supercondensateurs. Parmi les nanomatériaux, les nanoparticules à base de carbone – telles que les nanotubes de carbone et le graphène – ont donné des résultats prometteurs, mais elles souffrent d'une conductivité électrique relativement faible, explique Mirvakili.

Dans ce nouveau travail, lui et ses collègues ont montré que les caractéristiques souhaitables pour de tels dispositifs, telles qu'une densité de puissance élevée, ne sont pas propres aux nanoparticules à base de carbone, et que le fil de nanofils de niobium constitue une alternative prometteuse.

"Imaginez que vous disposez d'une sorte de système de surveillance de la santé portable", explique Hunter, "et qu'il doit diffuser des données, par exemple via le Wi-Fi, sur une longue distance." À l’heure actuelle, les piles de la taille d’une pièce de monnaie utilisées dans de nombreux petits appareils électroniques ont une capacité très limitée à fournir une grande quantité d’énergie à la fois, ce dont de telles transmissions de données ont besoin.

"Le Wi-Fi longue distance nécessite une quantité considérable d'énergie", explique Hunter, professeur George N. Hatsopoulos en thermodynamique au département de génie mécanique du MIT, "mais il ne sera peut-être pas nécessaire très longtemps". Les petites batteries sont généralement mal adaptées à de tels besoins en énergie, ajoute-t-il.

« Nous savons qu'il s'agit d'un problème rencontré par un certain nombre d'entreprises dans le domaine de la surveillance de la santé ou de l'exercice. Une alternative consiste donc à opter pour une combinaison d'une batterie et d'un condensateur », explique Hunter : la batterie pour les fonctions à long terme et à faible consommation, et le condensateur pour les courtes rafales de puissance élevée. Une telle combinaison devrait permettre soit d’augmenter la portée de l’appareil, soit – peut-être plus important sur le marché – de réduire considérablement les exigences de taille.

Le nouveau supercondensateur à base de nanofils dépasse les performances des batteries existantes, tout en occupant un très petit volume. "Si vous possédez une Apple Watch et que je rase 30 % de la masse, vous ne le remarquerez peut-être même pas", explique Hunter. "Mais si vous réduisez le volume de 30 pour cent, ce serait un gros problème", dit-il : Les consommateurs sont très sensibles à la taille des appareils portables.

Cette innovation est particulièrement importante pour les petits appareils, explique Hunter, car d'autres technologies de stockage d'énergie, telles que les piles à combustible, les batteries et les volants d'inertie, ont tendance à être moins efficaces ou tout simplement trop complexes pour être pratiques lorsqu'elles sont réduites à de très petites tailles. « Nous sommes dans une situation idéale », dit-il, avec une technologie capable de fournir de grandes rafales de puissance à partir d'un très petit appareil.