La pile à combustible ultra-mince utilise le propre sucre du corps pour générer de l’électricité

La pile à combustible ultra-mince utilise le propre sucre du corps pour générer de l'électricité

Puce de silicium avec 30 micropiles à combustible à glucose individuelles, vues comme de petits carrés argentés à l’intérieur de chaque rectangle gris. Crédit : Kent Dayton

Le glucose est le sucre que nous absorbons des aliments que nous mangeons. C’est le carburant qui alimente chaque cellule de notre corps. Le glucose pourrait-il également alimenter les implants médicaux de demain ?

Les ingénieurs du MIT et de l’Université technique de Munich le pensent. Ils ont conçu un nouveau type de pile à combustible à glucose qui convertit le glucose directement en électricité. Le dispositif est plus petit que les autres piles à combustible à glucose proposées, mesurant seulement 400 nanomètres d’épaisseur, soit environ 1/100 du diamètre d’un cheveu humain. La source d’énergie sucrée génère environ 43 microwatts par centimètre carré d’électricité, atteignant la densité de puissance la plus élevée de toutes les piles à combustible à glucose à ce jour dans des conditions ambiantes.

Le nouvel appareil est également résistant, capable de résister à des températures allant jusqu’à 600 degrés Celsius. Si elle est incorporée dans un implant médical, la pile à combustible pourrait rester stable grâce au processus de stérilisation à haute température requis pour tous les dispositifs implantables.

Le cœur du nouvel appareil est en céramique, un matériau qui conserve ses propriétés électrochimiques même à des températures élevées et à des échelles miniatures. Les chercheurs envisagent que la nouvelle conception pourrait être transformée en films ou revêtements ultra-minces et enroulée autour d’implants pour alimenter passivement l’électronique, en utilisant l’abondant apport de glucose du corps.

“Le glucose est partout dans le corps, et l’idée est de récolter cette énergie facilement disponible et de l’utiliser pour alimenter des dispositifs implantables”, explique Philipp Simons, qui a développé la conception dans le cadre de son doctorat. thèse au Département de science et génie des matériaux (DMSE) du MIT. “Dans nos travaux, nous montrons une nouvelle électrochimie des piles à combustible à glucose.”

“Au lieu d’utiliser une batterie, qui peut occuper 90 % du volume d’un implant, vous pourriez créer un appareil avec un film mince, et vous auriez une source d’alimentation sans empreinte volumétrique”, explique Jennifer LM Rupp, thèse de Simons. superviseur et professeur invité DMSE, qui est également professeur associé de chimie des électrolytes à l’état solide à l’Université technique de Munich en Allemagne.

Simons et ses collègues détaillent leur conception dans le journal Matériaux avancés. Les co-auteurs de l’étude sont Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel et Lorenz Olbrich.

Une séparation “dure”

L’inspiration pour la nouvelle pile à combustible est venue en 2016, lorsque Rupp, spécialisée dans la céramique et les appareils électrochimiques, est allée passer un test de glycémie de routine vers la fin de sa grossesse.

“Dans le cabinet du médecin, j’étais un électrochimiste très ennuyé, pensant à ce que vous pouviez faire avec le sucre et l’électrochimie”, se souvient Rupp. “Puis j’ai réalisé qu’il serait bon d’avoir un appareil à semi-conducteurs fonctionnant au glucose. Et Philipp et moi nous sommes rencontrés autour d’un café et avons écrit sur une serviette les premiers dessins.”

L’équipe n’est pas la première à concevoir une pile à combustible à glucose, qui a été initialement introduite dans les années 1960 et a montré un potentiel pour convertir l’énergie chimique du glucose en énergie électrique. Mais les piles à combustible à glucose à l’époque étaient basées sur des polymères mous et ont été rapidement éclipsées par les batteries au lithium-iodure, qui deviendront la source d’alimentation standard pour les implants médicaux, notamment le stimulateur cardiaque.

Cependant, les batteries ont une limite quant à leur taille, car leur conception nécessite la capacité physique de stocker de l’énergie.

“Les piles à combustible convertissent directement l’énergie plutôt que de la stocker dans un appareil, vous n’avez donc pas besoin de tout ce volume nécessaire pour stocker l’énergie dans une batterie”, explique Rupp.

Ces dernières années, les scientifiques ont réexaminé les piles à combustible à glucose en tant que sources d’énergie potentiellement plus petites, alimentées directement par le glucose abondant du corps.

La conception de base d’une pile à combustible à glucose se compose de trois couches : une anode supérieure, un électrolyte central et une cathode inférieure. L’anode réagit avec le glucose dans les fluides corporels, transformant le sucre en acide gluconique. Cette conversion électrochimique libère une paire de protons et une paire d’électrons. L’électrolyte intermédiaire agit pour séparer les protons des électrons, conduisant les protons à travers la pile à combustible, où ils se combinent avec l’air pour former des molécules d’eau, un sous-produit inoffensif qui s’écoule avec les fluides corporels. Pendant ce temps, les électrons isolés circulent vers un circuit externe, où ils peuvent être utilisés pour alimenter un appareil électronique.

L’équipe a cherché à améliorer les matériaux et les conceptions existants en modifiant la couche d’électrolyte, qui est souvent constituée de polymères. Mais les propriétés des polymères, ainsi que leur capacité à conduire les protons, se dégradent facilement à des températures élevées, sont difficiles à conserver lorsqu’elles sont réduites à la dimension du nanomètre et sont difficiles à stériliser. Les chercheurs se sont demandé si une céramique – un matériau résistant à la chaleur qui peut naturellement conduire les protons – pouvait être transformée en électrolyte pour les piles à combustible à glucose.

“Lorsque vous pensez à la céramique pour une telle pile à combustible à glucose, elle présente l’avantage d’une stabilité à long terme, d’une petite évolutivité et d’une intégration de puces en silicium”, note Rupp. “Ils sont durs et robustes.”

La pile à combustible ultra-mince utilise le propre sucre du corps pour générer de l'électricité

Configuration expérimentale personnalisée utilisée pour caractériser 30 piles à combustible à glucose en séquence rapide. Crédit : Kent Dayton

Puissance de crête

Les chercheurs ont conçu une pile à combustible à glucose avec un électrolyte à base d’oxyde de cérium, un matériau céramique qui possède une conductivité ionique élevée, est mécaniquement robuste et, à ce titre, est largement utilisé comme électrolyte dans les piles à combustible à hydrogène. Il a également été démontré qu’il est biocompatible.

“Ceria est activement étudié dans la communauté de la recherche sur le cancer”, note Simons. “Il est également similaire à la zircone, qui est utilisée dans les implants dentaires, et est biocompatible et sûr.”

L’équipe a pris en sandwich l’électrolyte avec une anode et une cathode en platine, un matériau stable qui réagit facilement avec le glucose. Ils ont fabriqué 150 piles à combustible à glucose individuelles sur une puce, chacune d’environ 400 nanomètres d’épaisseur et d’environ 300 micromètres de large (environ la largeur de 30 cheveux humains). Ils ont modelé les cellules sur des tranches de silicium, montrant que les dispositifs peuvent être associés à un matériau semi-conducteur commun. Ils ont ensuite mesuré le courant produit par chaque cellule alors qu’ils faisaient couler une solution de glucose sur chaque plaquette dans une station de test fabriquée sur mesure.

Ils ont découvert que de nombreuses cellules produisaient une tension de crête d’environ 80 millivolts. Compte tenu de la petite taille de chaque cellule, cette sortie est la densité de puissance la plus élevée de toutes les conceptions de piles à combustible à glucose existantes.

“De manière passionnante, nous sommes en mesure de tirer une puissance et un courant suffisants pour alimenter des dispositifs implantables”, déclare Simons.

“C’est la première fois que la conduction protonique dans les matériaux électrocéramiques peut être utilisée pour la conversion du glucose en puissance, définissant un nouveau type d’électrochimie”, a déclaré Rupp. “Il étend les cas d’utilisation des matériaux, des piles à hydrogène à de nouveaux modes passionnants de conversion du glucose.”

Les chercheurs “ont ouvert une nouvelle voie vers des sources d’alimentation miniatures pour des capteurs implantés et peut-être d’autres fonctions”, explique Truls Norby, professeur de chimie à l’Université d’Oslo en Norvège, qui n’a pas contribué aux travaux. “Les céramiques utilisées sont non toxiques, bon marché et surtout inertes aux conditions dans le corps et aux conditions de stérilisation avant l’implantation. Le concept et la démonstration jusqu’à présent sont en effet prometteurs.”


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Plus d’information:
Philipp Simons et al, Une pile à combustible en céramique-électrolyte-glucose pour l’électronique implantable, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002 / adma.202109075

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.

Citation: La pile à combustible ultra-mince utilise le propre sucre du corps pour générer de l’électricité (13 mai 2022) récupéré le 13 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-ultrathin-fuel-cell-body-sugar.html

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