Un film thermoélectrique ionique utilise la chaleur corporelle pour alimenter les LED.

Performances de récupération d'énergie des dispositifs p/n-ITEM et n-ITEM. Crédit : Institut national des sciences et technologies d'Ulsan

En Résumé Les matériaux thermoélectriques ioniques (TE) offrent un potentiel considérable pour l'électronique portable autonome grâce à leur capacité à convertir la chaleur à basse température en électricité avec des thermotensions extrêmement élevées. Cependant, leurs performances restent limitées par une compréhension incomplète des facteurs thermodynamiques qui régissent leur efficacité. Cet article présente une stratégie de conception guidée par la thermodynamique pour des complexes polymères TE ioniques de type p et n à hautes performances. En modulant l'interaction entre les ions et les matrices polymères par des approches de synthèse contrôlées, des facteurs de mérite ioniques (ZTi) records de 49,5 et 32,2 sont atteints, ainsi que des densités de puissance normalisées exceptionnelles de 46,7 et 79,0 mW·m⁻²·K⁻². Un module TE ionique flexible de type p/n délivre une tension de sortie remarquable de 1,03 V·K⁻¹ et une densité de puissance normalisée de 981 mW·m⁻²·K⁻². Ce module alimente une LED commerciale sous un gradient de température de seulement 1,5 K, sans amplification externe. Ces résultats ouvrent la voie à des systèmes de récupération d'énergie portables basés sur des éléments thermoélectriques ioniques, offrant ainsi une solution pratique et évolutive.

Une équipe de recherche affiliée à l'UNIST (Université nationale de science et de technologie d'Ulsan en Corée du Sud) a mis au point un nouveau film thermoélectrique capable d'alimenter des LED grâce à une différence de température de seulement 1,5 °C entre le corps humain et l'air ambiant. Cette technologie innovante ouvre de nouvelles perspectives pour les dispositifs portables autonomes et les applications de récupération d'énergie.

Dirigée par le professeur Sung-Yeon Jang de l'École d'ingénierie chimique énergétique de l'UNIST, l'équipe de recherche a développé une stratégie de conception guidée thermodynamiquement pour les complexes polymères TE ioniques haute performance, atteignant des chiffres de mérite records pour les matériaux de type p et de type n.

Ces travaux sont publiés dans la revue Advanced Functional Materials .

Comment fonctionnent les matériaux thermoélectriques ?

Fonctionnant comme de minuscules générateurs, les matériaux thermoélectriques convertissent les différences de température en énergie électrique. Dans les systèmes thermoélectriques ioniques , le mouvement des ions — protons (H⁺) dans les matériaux de type p et ions chlorure (Cl⁻) dans les matériaux de type n — induit la génération de tension. En présence d'un léger gradient de température, ces ions migrent et produisent un courant électrique.

Ces nouveaux matériaux, composés d'un composite flexible à base de polymère, atteignent des facteurs de mérite ionique (ZT_{_i} ) records de 49,5 pour le type p et de 32,2 pour le type n, soit une amélioration de 70 % par rapport aux matériaux précédents. Ces performances élevées permettent de générer suffisamment d'énergie avec des écarts de température minimes (inférieurs à 2 °C) pour alimenter des dispositifs électroniques.

Composition et performances des matériaux

Le matériau de type p est composé d'un polymère composite conducteur, le PEDOT:PSS, tandis que celui de type n incorpore du chlorure de cuivre (CuCl₂) dans sa matrice. En fonctionnement, les protons (H⁺) servent de porteurs de charge dans le matériau de type p, et les ions chlorure (Cl⁻) dans celui de type n. Ces deux matériaux sont légers, flexibles et se prêtent facilement à la fabrication de générateurs en couches minces.

Lors de tests pratiques, un module composé de dix paires de ces films de type p et n connectés en série a produit plus de 1,03 volts avec une différence de température de seulement 1°C.

De façon remarquable, cela a permis à une simple ampoule LED de s'allumer avec un gradient de température de seulement 1,5 °C. Des tests de stabilité à long terme ont confirmé que l'appareil conservait plus de 95 % de ses performances initiales après plus de deux mois de fonctionnement en intérieur.

Stratégie de conception et applications futures

Cette performance est attribuée par la recherche à une stratégie de conception thermodynamique systématique qui optimise l'interaction entre la concentration et la diffusion des ions au sein des matériaux.

En analysant et en ajustant soigneusement les concentrations d'additifs, tels que le CuCl₂, et les structures polymères internes, l'équipe a identifié des conditions qui maximisent la densité de puissance sans entraver la mobilité des ions.

Dong-Hu Kim, l'auteur principal, explique : « Les matériaux thermoélectriques ioniques ont longtemps souffert d'un manque de principes de conception systématiques, ce qui a limité leur plein potentiel. Nos travaux fournissent des stratégies fondamentales pour libérer leurs capacités de haute performance. »

Le professeur Jang a déclaré : « Les matériaux nouvellement mis au point sont fins et flexibles, ce qui permet une fixation facile sur la peau ou les surfaces courbes. Ils peuvent alimenter des appareils portables comme les montres intelligentes sans piles et permettre le fonctionnement de capteurs autonomes dans des environnements à gradients de température minimaux. »

https://news.unist.ac.kr/innovative-ionic-te-film-uses-body-heat-to-power-led-lights

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202514954