Nouveaux accumulateurs d'énergie basés sur des composites magnétoélectriques
Euskal Herriko Unibertsitateko irakaslea Elektrizitatea eta Elektronika Sailean
La société actuelle exige l'utilisation de dispositifs à faible consommation énergétique de plus en plus petits et utiles. Les composites magnétoélectriques, capables d'induire la tension électrique sous un champ magnétique, peuvent être utilisés pour alimenter de nouveaux systèmes à faible consommation par l'accouplement entre propriétés magnétiques et électriques.
Les composites magnétoélectriques ont considérablement évolué ces dernières années en accumulateurs d'énergie. Ces composites, en général, sont constitués de matériel magnétostrictif et de matériel piézoélectrique (matériaux déformés sous un champ magnétique et des matériaux qui induisent la tension électrique en subissant une déformation, respectivement). Par conséquent, en appliquant un champ magnétique sur ces composites, le composant magnétostrictif se déforme. Cette déformation est transmise au composant piézoélectrique induisant la tension électrique. Cet effet est appelé effet magnétoélectrique et est utilisé dans de nombreuses applications [1].
Les composants magnétostrictifs utilisés dans les composites magnétoélectriques sont des alliages métalliques en forme de tôle fabriqués avec du fer et/ou du cobalt. En tant que composants piézoélectriques, on utilise généralement du STP céramique sous forme de film ou polymère PVDF. Bien que le STP ait une meilleure réponse piézoélectrique, il est un matériau très fragile et peut causer des problèmes dans certaines applications. Le polymère PVDF présente une réponse piézoélectrique plus faible, mais plus adaptable et avec un meilleur comportement dans des applications pratiques.
Dans les composites magnétoélectriques on obtient le signal le plus élevé induit autour de la fréquence de résonance du composite. La fréquence de résonance est inversement proportionnelle à la longueur du composant magnétostricatif. Plus le composite est long, plus la fréquence de résonance est faible.
Composites magnétoélectriques comme accumulateurs d'énergie
La fabrication de composites magnétoélectriques nécessite une certaine combinaison de matériaux magnétostrictifs et piézoélectriques. Pour sélectionner les matériaux les mieux adaptés à la fabrication, les propriétés de chaque élément doivent être analysées. En ce qui concerne les matériaux magnétostrictifs, des alliages du type FeCoSiB sont souvent utilisés, entre autres, en raison de leurs excellentes propriétés magnétiques. Comme matériau piézoélectrique, une option appropriée est le polymère piézoélectrique PVDF, qui présente la réponse piézoélectrique la plus élevée parmi les polymères piézoélectriques. Pour raccorder les propriétés magnétostrictives et piézoélectriques, il est habituel d'utiliser une résine époxy. Profitant de cet époxy, un composite est fabriqué en sandwich avec deux plaques magnétostrictives collées des deux côtés d'un film PVDF de même longueur.
Pour obtenir la puissance fournie par le composite Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 de 3 cm de longueur, par exemple, il est nécessaire de mesurer d'abord la fréquence de résonance de ce composite, point où se trouve la réponse magnétoélectrique la plus élevée du composite. Dans ce composite, la fréquence de résonance est à 50 kHz. Par conséquent, l'utilisation à cette fréquence du signal électrique alternatif induit dans le composite exige que la tension alternative devienne tension directe, pour laquelle le signal induit doit passer par un circuit de multiplication de tension [2]. A partir de cette tension directe, la puissance fournie par le composite magnétoélectrique peut être calculée en fonction de la résistance raccordée au circuit.
La puissance maximale obtenue du circuit est de 11,6 µW pour une résistance de 220 kiloohms. Cette valeur est totalement comparable à d'autres accumulateurs d'énergie qui apparaissent dans la bibliographie, où des puissances similaires ont été mesurées [3] en utilisant STP et des matériaux piézoélectriques (meilleure réponse piézoélectrique).
Cependant, l'utilisation d'accumulateurs d'énergie dans la vie quotidienne nécessite le remplacement des générateurs utilisés dans les laboratoires par les ressources que l'environnement nous offre. Ces ressources, bien sûr, doivent répondre à des exigences. Par exemple, ils doivent créer un champ magnétique dont la fréquence doit être située dans une plage donnée (à la fréquence de résonance du composite correspondant) pour induire une tension suffisante dans le composite magnétoélectrique.
Compte tenu de la fréquence de résonance du composite magnétoélectrique Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co1 6.4 Si 10.8 B 11.2, des plaques d'induction, des ordinateurs ou des écrans intelligents pourraient être utilisés comme générateurs, entre autres. L'utilisation de composites magnétiques de différentes tailles ou compositions modifient les fréquences de résonance, il faudrait donc chercher des sources électromagnétiques fonctionnant sur d'autres fréquences pour obtenir la puissance maximale des composites.
Influence de la taille sur la puissance
Comme mentionné dans l'introduction, la taille des périphériques est aussi importante que l'utilitaire. Fabriquer des appareils de plus en plus petits est l'un des objectifs de l'industrie et de la société actuelle. Par conséquent, dans le cas des composites magnétoélectriques, il est également nécessaire d'analyser l'influence de la réduction des dispositifs sur la puissance fournie. Dans le cas du composite magnétoélectrique Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2, les systèmes de 1 et 0,5 cm fournissent respectivement des puissances de 0,28 et 0,06 ?W. Par conséquent, si vous voulez obtenir de l'énergie à partir de composites magnétoélectriques de petite taille, vous devez garder à l'esprit qu'ils fourniront une puissance beaucoup plus faible, et selon l'application, vous devrez décider si elle est suffisante ou non.
Applications dans les nouvelles technologies
Comme on peut le voir, ces nouveaux composites magnétoélectriques sont capables d'atteindre une puissance de quelques microwatts. Cette puissance, même si elle semble relativement faible, peut servir à l'utilisation dans les nouvelles technologies. Par exemple, les stimulateurs cardiaques qui sont placés dans le corps pour contrôler le rythme cardiaque ont besoin de 10 ?W pour fonctionner. Le réseau de capteurs sans fil utilise une puissance similaire pour surveiller la température, contrôler la pollution chimique dans les villes ou la pression des voitures [6]. Les réseaux de communication sans fil sont utilisés dans de nombreuses autres applications à faible consommation. Par exemple, les appareils situés dans le corps utilisent souvent ces réseaux pour communiquer entre eux (connu en anglais avec les lettres WBAN).
En plus des communications, l'énergie produite par les composites magnétoélectriques peut être utilisée dans d'autres domaines. Cette énergie peut également servir à remplacer les batteries de notre mobile ou d'autres petits appareils. En fait, ils ont commencé à fabriquer des mobiles sans batterie [7]. Ce type de mobile prend l'énergie des signaux lumineux ou radio de l'environnement.
Il est donc clair que les nouvelles technologies de l'avenir nécessitent des types d'énergie à faible consommation, faciles à obtenir et sans fil. Dans ce parcours, les composites magnétoélectriques devraient avoir une influence importante sur la recherche menée sur ce type de nouveaux matériaux. Ces dispositifs, en plus d'obtenir de l'énergie de l'environnement, sont capables de générer la puissance nécessaire pour alimenter de petits dispositifs. Nouveaux accumulateurs d'énergie pour les nouvelles technologies !
Bibliographie Bibliographie
Travail présenté aux prix CAF-Elhuyar.
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