WO2018189491A1 - Energy converter comprising an electrochemical cell - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the field of energy conversion.
- the invention belongs to the field of low power energy management.
- accumulators convert a stored energy in chemical form into electrical energy.
- Most accumulators form a faradic system. Oxidation-reduction reactions take place and include charge exchanges between electrodes and an electrolyte.
- Some of these accumulators can be recharged by an external source of electrical energy, for example by a mains connection via a transformer, or by means of a source of mechanical energy converted by an alternator, for example activated manually. Providing an externally generated current reverses the chemical oxidation-reduction reactions.
- supercapacitors formed of two electrodes generally identical and separated by an electrolyte.
- Supercapacitors form so-called capacitive systems: by applying a potential difference between the two electrodes (during recharging), the anions and the cations of the electrolyte agglutinate respectively to the two of them. electrodes. When the capacitive energy is released (in use), a current can be obtained by connecting between the two electrodes. Once the capacitive energy has been consumed and until a charging voltage is applied again between the two electrodes, the supercapacitor becomes inactive and unusable.
- Accumulators and supercapacitors require external power supply between each full use of the previously stored energy.
- the devices thus equipped can be considered autonomous only over limited durations.
- Devices allow, under laboratory conditions, to create a voltage between two electrodes movable relative to each other and between which a drop of water is trapped.
- Such an assembly is for example described in the following article: Pak and Al, "Electrical power generation by mechanically modulating electrical double layers", Nature Communication, 2013.
- Such a device is difficult to implement reliably out of the conditions of 'a laboratory.
- Energy recovery devices operating based on a deformation of piezoelectric material are also developed. The following article gives some examples: "A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics”; S. Roundy and PK Wright; INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING; 1131-1142 (2004). The reliability over time of such devices is not entirely satisfactory.
- the invention improves the situation.
- the Applicant proposes an energy converter comprising at least one electrochemical cell and a switch member.
- the electrochemical cell comprises an enclosure, at least two electrodes, each of the electrodes being disposed at least partially in the enclosure, and an electrolyte contained in the enclosure between the two electrodes.
- the composition and structure of each of the two electrodes and the electrolyte are jointly selected so that:
- each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte
- the electrodes In the absence of external bias, the electrodes have a non-zero potential difference with respect to each other.
- the switch member being electrically connected between the two electrodes of the electrochemical cell, said member being arranged to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of an external energy.
- Such a converter makes it possible to convert an external energy into an electrical energy by means of a capacitive energy and in a substantially continuous manner.
- the converter does not require a prior power supply from an external power source. Electrical energy can be consumed immediately or stored for later use.
- such a converter may have various shapes and dimensions, which makes it possible to adapt to many uses and conditions, particularly in terms of compactness, reliability, type and intensity of the external energy available at the input, and quantity of energy to output.
- the converter can be arranged to integrate in an environment for which the size and / or mass must be particularly low.
- the switch subjected to external energy can be deported and / or detachable from the electrochemical cell.
- the cell may have a substantially flat shape.
- the capacitive energy stored in the electrochemical cell is small in quantity and short duration: the successions of openings and closures of the switch allow to cumulatively provide a quantity of energy of substantial external origin. This mode of operation makes it possible to qualify the entire energy converter device as electrical energy rather than as an energy storage device.
- the switch member is open / closed repeatedly.
- the converter may be coupled to an energy storage device, for example known in itself, to consume the external energy when it is available and to restore the electrical energy when it is necessary.
- the applicant proposes a kit comprising the following elements:
- an electrochemical cell comprising an enclosure, at least two electrodes, each of the electrodes being disposed at least partly in the enclosure, and an electrolyte contained in the enclosure between the two electrodes, and
- a switch member adapted to be electrically connected between two electrodes of an electrochemical cell. Said member is arranged to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of an external energy.
- composition and structure of each of the two electrodes and the electrolyte are jointly selected so that:
- each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte
- the electrodes In the absence of external bias, the electrodes have a non-zero potential difference with respect to each other.
- the switch member being adapted to be electrically connected between the two electrodes of the electrochemical cell.
- the kit may further comprise a control circuit adapted to be electrically connected to the two electrodes of the electrochemical cell, the control circuit being arranged so that, once connected to the electrochemical cell, the capacitive energy of the electrochemical cell is converted into electrical energy capable of supplying an energy storage device when the switch member changes to a closed state.
- the Applicant proposes a sensor comprising an energy converter as defined herein.
- a sensor may be at least partly autonomous, that is to say rendered independent of an external power supply.
- the energy required for the operation of the sensor can be entirely removed from its immediate environment in a form other than electrical and converted into electrical energy through the converter.
- the implementation of a converter as defined herein is particularly advantageous in the context of sensors, especially small. Such sensors can be easily arranged in locations that are difficult to access. The installation of a wiring for a sensor power supply and / or access to maintenance to exchange a battery are made superfluous.
- the sensors may be devoid of any external physical connection.
- each of the two electrodes and the composition of the electrolyte are jointly selected so that the ions accumulated near each of the two electrodes are of opposite signs. This facilitates the distribution of anions / cations in the electrolyte.
- At least one of the electrodes comprises metal. Metal electrodes are reliable over time, can deform while remaining functional and are inexpensive.
- At least one of the electrodes comprises metal.
- the composition of the metal and the pH of the electrolyte are jointly selected so that the at least one electrode has an external passivation layer. Passivation protects the electrodes from unwanted chemical reactions, in particular by oxidation-reduction.
- At least one of the electrodes comprises porous carbon. Porous carbon has good chemical stability and can be combined with various other electrodes and electrolytes.
- the first electrode comprises porous carbon.
- the second electrode comprises zinc, magnesium or aluminum.
- the electrolyte comprises a saline solution in liquid or gel form. The various combinations tested by the applicant have shown good performance.
- composition and the structure of each of the two electrodes and of the electrolyte, and the mutual arrangement of the electrodes in the enclosure, are jointly selected so that, in the absence of external polarization, the capacitive load between the two electrodes in a stable regime is between 0.01 and 10 F.cn ⁇ 2 .
- Such charges can be achieved with particularly compact structures while being sufficient to power the least energy consuming objects.
- the energy converter further comprises:
- control circuit electrically connected to the two electrodes of the electrochemical cell and including the switch member
- An energy storage device electrically connected to the two electrodes via the control circuit.
- the control circuit is arranged so that the capacitive energy of the electrochemical cell is converted into electrical energy supplying the energy storage device when the switch member is in the closed state.
- Such a converter can equip a device by making it autonomous. It becomes unnecessary to recharge or replace the battery.
- the switch member comprises at least one transistor. This improves reliability by replacing at least some of the mechanical components.
- FIG. 1 shows a diagram of a converter according to the invention
- FIGS. 2 and 3 each show a diagram equivalent to an operating state of a converter according to the invention
- FIG. 4 shows a measurement of a voltage across a measurement resistor disposed between the electrodes at the closing of a switch of a converter according to the invention
- FIG. 5 shows a measurement of a voltage across a measurement resistor disposed between the electrodes of a converter according to the invention
- FIG. 6 shows experimental results of a voltage measurement as a function of time
- FIG. 7 is a schematic representation of an experimental setup
- FIG. 8 shows two superimposed curves of a measured voltage and a resistance value of a switch over time
- FIGS. 9 and 10 are two views of an experimental zinc electrode.
- FIG. 1 shows a converter 1.
- the converter 1 comprises at least one electrochemical cell 3 and a switch member 5.
- the cell 3 comprises an enclosure 31, or enclosure, a first electrode 33, a second electrode 35 and an electrolyte 37.
- Each of the electrodes 33, 35 is arranged at least partly in the chamber 31. In the example described here, each of the electrodes 33, 35 is entirely contained in the enclosure 31. Each of the electrodes 33, 35 is electrically connected to a conductive element projecting from the enclosure 31. Thus, the parts projecting from the enclosure 31 form connectors, or terminals, of the cell 3 through which each of the electrodes 33, 35 may be electrically connected to 3. Alternatively, at least one of the electrodes 33, 35 protrudes from the cell 3 through the enclosure 31. Such an electrode 33, 35 can be directly connected to external elements at the same time. cell 3.
- the enclosure 31 has sealing properties compatible with the electrolyte 37 and able to prevent its leakage to the outside of the enclosure 3. The enclosure 31 further protects the contents of the cell 3 against the external environment so as to limit the risks of contamination which could lead to unwanted chemical reactions, in particular oxidation phenomena.
- the first electrode 33 forms an anode 33 while the second electrode 35 forms a cathode 35.
- the cell 3 is devoid of exchange voluntary ion between the electrodes 33, 35 and the electrolyte 37.
- the use of the terms "anode” and “cathode” is usually reserved for faradic systems, for example in which the anode is able to give way electrons by chemical reaction with a substrate while the cathode captures electrons by chemical reaction with a substrate.
- the terms "anode” and “cathode” are used by analogy to facilitate the distinction between the two electrodes 33, 35.
- the anode 33 releases electrons in the circuit while the cathode 35 captures the electrons of the circuit.
- the electrolyte 37 is contained in the enclosure 31.
- the electrolyte 37 is contained at least between the two electrodes 33, 35 and in contact with each of the two electrodes 33, 35.
- the electrodes 33, 35 may form at least part of the enclosure 31.
- an enclosure may contain a plurality of pairs of electrodes.
- the electrodes can form walls compartmentalizing the inside of the enclosure 31. The enclosure then houses an alternation of anode and cathode, an electrode that can be paired with two separate electrodes.
- composition and the structure of each of the two electrodes 33, 35 and the electrolyte 37 are jointly selected so that:
- each of the electrodes 33, 35 is chemically inert in the electrolyte 37,
- the electrodes 33, 35 each have a non-zero potential difference with the electrolyte 37, so that an accumulation of ions of the electrolyte 37 is generated near each of the two electrodes 33, 35, and
- the electrodes 33, 35 have a non-zero potential difference between them, so that the accumulation of ions near each of the two electrodes 33, 35 is asymmetrical relative to to the other.
- the electrodes 33, 35 may each have an apparent standard potential, the two standard potentials being different from each other. This corresponds in particular to an example two different metal electrodes.
- the terms "apparent standard potential" are used by analogy with oxidation-reduction systems. However, the oxidation-reduction reactions are prevented in the converter 1.
- the electrodes may have, especially at the surface, excess sites or deficient in charges. This corresponds in particular to the case of a porous carbon electrode described below.
- Electrodes 33, 35 and electrolyte 37 are enabled by the selection of the nature (structure and composition) of the electrodes and the electrolyte.
- the potential differences of electrodes 33, 35 and electrolyte 37 and the accumulation of ions (anions or cations) at the resulting electrode-electrolyte interfaces (adsorption phenomena) makes it possible to form an electrical double layer on the surface.
- each electrode 33, 35 in contact with the electrolyte 37.
- the ions form a screen on the surface of the electrode.
- Each of these interfaces then stores a capacitive energy.
- the asymmetry of the accumulation between the anode 33 and the cathode 35 causes a charge imbalance between the two electrodes 33, 35.
- the electrolyte 37 allows the transport of the ions but not the electrons.
- a first of the electrodes here the anode 33, comprises a porous material.
- the porosity makes it possible to reach a large adsorption interface with the electrolyte 37 for a small occupied volume of the electrode.
- a difference in interface area is created between two electrodes of similar shapes and dimensions. This contributes to the asymmetry of the charges between the two poles of the cell 3.
- the electrode has, for example, a free porosity greater than 60% by volume. Porosity is measured, for example, by mercury porosimeter.
- the porosity also makes it possible to reduce the mass of the electrode.
- porous carbon is used.
- the electrode is made electrically conductive by the addition of carbon black.
- Such an electrode is inert with at least some electrolytes used in the examples described below, easy to implement and inexpensive. Methods of manufacturing such electrodes are known and for example described in the following article: Salitra, G., Soffer, A., Eliad, L., Cohen, Y. & Aurbach, D. Carbon electrodes for double -layer capacitors . I. "Relations between ion and pore dimensions". J. Electrochem. Soc. 147, 2486-2493 (2000).
- the second of the electrodes here the cathode 35, comprises a metal.
- the cathode 35 comprises zinc (Zn).
- the nature of the metal and the pH of the electrolyte 37 are jointly selected or adjusted to promote the creation and / or preservation of an outer layer of oxide on the electrode.
- the oxide layer protects the electrode from oxidation, in particular by oxygen.
- the oxide layer renders and / or maintains the electrode chemically inert and insensitive to oxy-reduction reactions in the electrolyte (passivation).
- the pH of the electrolyte 57 is preferably chosen to be between 9 and 11.25, for example about 10.7, in order to promote the existence of a hydroxide layer.
- Protective Zn (OH) 2 (S) is preferably chosen to be between 9 and 11.25, for example about 10.7, in order to promote the existence of a hydroxide layer.
- Zinc has a low mass, good flexibility, and is inexpensive compared to other metals.
- other metals may be used, for example aluminum (Al) or gallium (Ga).
- Al aluminum
- Ga gallium
- the composition of the electrolyte 37, and in particular its pH, are adapted to render the electrode chemically inert.
- the composition of the electrolyte 37 is chosen so as to allow the mobility of the ions while being electrically insulating. By electrical insulation is meant here that the composition of the electrolyte, the inter-electrode distance and the expected operating voltages are compatible to prevent the appearance of an electric arc between the two electrodes (breakdown).
- the electrolyte 37 may comprise an ionic liquid such as an aqueous solution or an organic solvent, an ionized gas or any other fluid containing mobile ions.
- the electrolytes 37 include ionic salt solutions. Such as NaCl, KCl, KNO 3 , MgCl 2 .
- the pH of the solution can be adjusted by adding an acid or a base.
- an electrolyte 37 comprising an aqueous solution with a salt such as sodium chloride NaCl and sodium hydroxide NaOH may for example be used.
- the electrolyte 37 here takes a liquid form.
- the electrolyte may take the form of a solid, a gel, a gas or even a plasma.
- a solid form or gel reduces the risk of leakage in case of leakage of the enclosure 31.
- the switch member 5 is electrically connected between the two electrodes 33, 35 of the cell 3. Said member 5 has an open state, that is to say electrically isolating the electrodes 33, 35 from each other , and a closed state, that is to say allowing the flow of charges (electrons) from one electrode to another.
- the switch member 5 is controlled by a piezoelectric actuator.
- an open / close frequency can be chosen precisely. For example, frequencies between 0.1 and 10 Hz can be applied.
- the member 5 may comprise, for example, a switch with a flexible blade ("Reed switch"). Such a switch can be activated remotely via magnetic fields.
- the member 5 may comprise a bimetal switch, which can be activated by temperature variations.
- the member 5 may also include a transistor.
- the switch function can, for example, be provided by a transistor rather than a mechanical switch. The transistor alternately passes from a passing state to a blocking state and vice versa under the effect of external stimulation.
- the member 5 is adapted according to the type of energy supplied to the input of the converter 1 and the expected operating frequencies.
- the electrodes Upon closure of the switch member 5, the electrodes are short-circuited.
- the double ionic layers at the two electrolyte-electrolyte interfaces are being restructured.
- Such an ionic reorganization is concomitant with the circulation of charges (the electrons) in the circuit.
- the current is non-zero. This state is equivalent to the electrical diagram shown in FIG. 3 and to a capacitance that discharges into a circuit.
- the flow of the current can be measured by means of a voltmeter V and by the interposition of a resistor R between the two electrodes 33, 35 (Ohm's law).
- the graph of FIG. 4 represents the voltage (in volts) at the terminals of a 100 ohm resistor connected between the two electrodes 33, 35 as a function of time (in seconds).
- T 6000 seconds, the voltage is substantially stable at about 20 mV.
- the graph in FIG. 5 represents the voltage (in volts) at the terminals of a 100 ohm resistor connected between the two electrodes 33, 35 as a function of time (in seconds).
- the switch member 5 changes from the open state to the closed state at a frequency of 6 hertz, and from the closed state to the open state at a frequency of 6 hertz (ie a change of state in a sense or in the other at an average frequency of 12 hertz).
- the frame referenced 71 corresponds to an open state, that is to say that no current flows in the circuit and the potential difference between the two electrodes 33, 35 increases gradually under the effect of the reorganization of the ion interfaces
- the frame referenced 73 corresponds to a closed state, that is to say that a current flows in the external circuit to the cell 3 and the potential difference between the two electrodes 33, 35 decreases progressively under the effect of the reorganization of the ion interfaces.
- the transition from the open state to the closed state of the switch member 5 generates the creation of a current.
- the external energy supplied to the converter 1 via the switch member 5 is converted into electrical energy.
- the electrical energy supplied to the terminals of the converter 1, or to the two electrodes 33, 35, can be consumed immediately by suitable electrical elements.
- This energy can also be stored by a storage device such as a battery or a supercapacitor.
- the storage device is connected to the terminals of the cell 3 via a control circuit.
- the control circuit is arranged for:
- the control circuit comprises for example a diode arrangement.
- the circuit may further comprise a voltage optimization circuit.
- Such a converter makes it possible to make certain electric power consuming devices autonomous by capturing an energy available in the immediate environment. Such collected external energy may be available in the form of vibrations, heat, temperature variations, motions, magnetic fields, pressures, flows or light.
- the converter outputs capacitive rather than faradic energy. By this aspect, the converter is different from the usual batteries and can recall the supercapacitors. The converter captures the external energy and transforms it into electrical energy in a substantially continuous manner.
- the converter does not need to be switched on beforehand to work (neither initially nor to be recharged). This would not make any sense because, in some embodiments, the converter does not store energy in the usual sense of the term (electrochemical cell and associated switch member, devoid of storage device): the capacitive energy is accumulated in the electrodes only transiently, during a period of opening of the switch, that is to say a duration inversely proportional to the frequency of change of state of the switch.
- the operation and structure of such converters make them more reliable for use than devices in the piezoelectric field.
- the power provided by such a converter can be estimated according to the intensity provided.
- the power corresponds to the area under the voltage curve during the phases during which the switch member 5 is in a closed state (frame 73 of FIG. 5).
- the power output depends in particular on the dimensions of the cell and in particular the useful surfaces of the electrodes and the energy that can be captured in the environment.
- the applicant has calculated the power provided by prototypes and estimates that the power as a function of the useful surface is between 0.01 and 10 mW.cm -2 , preferably between 0.1 and 1 mW.cm -2 , example about 0.3 mW.cm "2.
- Those skilled in the art includes that in such power lines are adapted to supply low-energy electronic devices, particularly in the area of the connected objects.
- the body heat, vibrations and / or movements can act as external energy for the converter.
- the switch member is adapted according to the energy to be captured. .
- the nature of the electrodes and the electrolyte can be chosen according to the type and properties of the energy of external origin that can be captured in the environment of the converter. For example, the density of the maximum capacitive load of the cell 3 may be voluntarily clamped so that the amount of energy required to open the switch member is less than the amount of energy received by the switch member. member 5 forming a switch.
- Such a converter can be provided in spare parts, for example in kit form.
- a kit comprises at least the electrochemical cell 3 and the switch member 5 adapted to be connected to each other.
- the kit may further comprise, for example, a power storage device and a compatible control circuit.
- Each of the elements of the kit is able to be connected operationally with the other elements.
- Such a converter finds particularly advantageous applications in the fields of portable electronics, connected objects (or IoT for "Internet of Things"), sensors and in particular autonomous sensor networks.
- a converter responds particularly well to the constraints of miniaturization, mobility and low energy consumption.
- the converter can be combined with storage means for unsynchronized energy use with the availability of the local energy source taken from the environment.
- the storage means are absent: the energy taken from the environment and converted is immediately consumed.
- the environmental energy and the physical phenomenon to be detected may have a common source.
- a vibration sensor can both detect / measure vibrations while using the mechanical energy of said vibrations to power the sensor via the converter.
- Presence sensors, temperature variations, humidity or pressure (tactile interfaces) may for example be equipped with a converter as defined herein.
- FIGS. 6 to 10 The present description is based on experimental tests carried out by the applicants and illustrated in FIGS. 6 to 10.
- the two electrodes one of platinum, the other of carbon
- a switch is associated with these two electrodes (electrically interposed between the two electrodes). The switch allows the connection or disconnection of the electrodes.
- a load resistor, referenced Ri oad in FIG. 7, of 100 ⁇ is integrated in the circuit for measuring current using Ohm's law.
- FIG. 6 shows an extract of the signal measured in the load resistor Ri oad by opening and closing the switch at a frequency of 1 Hertz.
- the signal was recorded for ten days without editing or significant signal variation.
- the power recorded during these 10 days is constant and equal to 1 ⁇ ⁇ .
- the resistance used is 100 ⁇ .
- the average current intensity is 0.1 mA.
- TEM transmission electron microscopy
- the power harvested under the aforementioned conditions of the experiments is low and equal to approximately 1 ⁇ ⁇ per cm 2 .
- additional experiments have been carried out in which the platinum electrode is replaced by a zinc electrode (whose characteristics are otherwise similar to that of platinum).
- a switch is associated with these two electrodes for their connection or disconnection.
- a 10 ⁇ Ri oad load resistor is integrated in the circuit to measure current using Ohm's law.
- FIG. 8 shows the signal measured in the load resistance Ri oad by opening and closing the switch at a frequency of 1 Hertz.
- the recorded power is substantially equal to 1 mW, which corresponds to a power density of 0.4 mW / cm 2 or 10 mW / cm 3 .
- Such a value is three orders of magnitude greater than that recorded by the so-called “electrostrictive” materials and an order of magnitude greater than the best piezoelectric systems known to the inventors.
- Electrodes are materials having particular properties of electrostriction, that is to say having significant changes in shape under the effect of an electric field.
- the zinc electrode was then cut. Careful transmission electron microscopy (TEM) analysis of the zinc electrode was, in turn, conducted. A protective layer of zinc on the surface is clearly visible. No trace of oxidation was detected (areas that appeared in black) in the body of the electrode. No degradation was detected. Figures 9 and 10 are clichés made on this occasion. Zinc is not, therefore, attacked by faradic phenomena. According to the inventors, the only reasonable interpretation is that the energy observed does not come from faradic processes but from capacitive processes. When the two electrodes are not connected, they have a mixed potential, ie two potentials different from each other. These potentials depend on the nature of the solvent and the electrodes.
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Abstract
An energy converter (1) comprising at least one electrochemical cell (3) and a member (5) forming a switch. The electrochemical cell comprises a chamber (31), two electrodes (33; 35), each being arranged at least in part in the chamber, and an electrolyte (37) contained in the chamber between the two electrodes. The composition and the structure of each of the two electrodes and of the electrolyte are selected conjointly in such a way that: - each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte, and - in the absence of external polarisation, the electrodes have a non-zero difference in potential with respect to each other. The member forming a switch is electrically connected between the two electrodes. The member is arranged to switch alternately between an open state and a closed state by means of an external energy.
Description
CONVERTISSEUR D'ENERGIE COMPRENANT UNE CELLULE ÉLECTROCHIMIQUE ENERGY CONVERTER COMPRISING AN ELECTROCHEMICAL CELL
L'invention relève du domaine de la conversion d'énergie. En particulier, l'invention appartient au domaine de la gestion d'énergie de faible puissance. The invention relates to the field of energy conversion. In particular, the invention belongs to the field of low power energy management.
Classiquement, les accumulateurs, ou batteries, convertissent une énergie stockée sous forme chimique en une énergie électrique. La plupart des accumulateurs forment un système dit faradique. Des réactions d'oxydo-réduction s'effectuent et incluent des échanges de charges entre des électrodes et un électrolyte. Certains de ces accumulateurs peuvent être rechargés par une source externe d'énergie électrique, par exemple par un branchement au secteur via un transformateur, ou bien au moyen d'une source d'énergie mécanique convertie par un alternateur, par exemple activé manuellement. La fourniture d'un courant d'origine externe inverse les réactions chimiques d'oxydo-réduction. II existe également des supercondensateurs formés de deux électrodes généralement identiques et séparées par un électrolyte. Les supercondensateurs forment des systèmes dits capacitifs : par application d'une différence de potentiel entre les deux électrodes (lors de la recharge), les anions et les cations de l'électrolyte s'agglutinent respectivement à l'une et l'autre des deux électrodes. Lorsque l'énergie capacitive est libérée (lors de l'utilisation), un courant peut être obtenu en se branchant entre les deux électrodes. Une fois l'énergie capacitive consommée et jusqu'à l'application à nouveau d'une tension de recharge entre les deux électrodes, le supercondensateur devient inactif et inutilisable. Conventionally, accumulators, or batteries, convert a stored energy in chemical form into electrical energy. Most accumulators form a faradic system. Oxidation-reduction reactions take place and include charge exchanges between electrodes and an electrolyte. Some of these accumulators can be recharged by an external source of electrical energy, for example by a mains connection via a transformer, or by means of a source of mechanical energy converted by an alternator, for example activated manually. Providing an externally generated current reverses the chemical oxidation-reduction reactions. There are also supercapacitors formed of two electrodes generally identical and separated by an electrolyte. Supercapacitors form so-called capacitive systems: by applying a potential difference between the two electrodes (during recharging), the anions and the cations of the electrolyte agglutinate respectively to the two of them. electrodes. When the capacitive energy is released (in use), a current can be obtained by connecting between the two electrodes. Once the capacitive energy has been consumed and until a charging voltage is applied again between the two electrodes, the supercapacitor becomes inactive and unusable.
Les accumulateurs et les supercondensateurs nécessitent une fourniture d'énergie électrique externe entre chaque utilisation complète de l'énergie préalablement stockée. Les dispositifs ainsi équipés peuvent être considérés autonomes seulement sur des durées limitées. Accumulators and supercapacitors require external power supply between each full use of the previously stored energy. The devices thus equipped can be considered autonomous only over limited durations.
Des dispositifs permettent, dans des conditions de laboratoire, de créer une tension entre deux électrodes mobiles l'une par rapport à l'autre et entre lesquelles une goutte d'eau est piégée. Un tel montage est par exemple décrit dans l'article suivant : Pak and Al, "Electrical power génération by mechanically modulating electrical double layers", Nature Communication, 2013. Un tel dispositif est difficile à mettre en œuvre de manière fiable hors des conditions d'un laboratoire.
Des dispositifs de récupération d'énergie fonctionnant à base d'une déformation de matériau piézoélectrique sont également développés. L'article suivant donne quelques exemples : "A piezoelectric vibration based generatorfor wireless electronics" ; S. Roundy and P. K. Wright ; INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING ; 1131-1142 (2004). La fiabilité dans le temps de tels dispositifs n'est pas entièrement satisfaisante. Devices allow, under laboratory conditions, to create a voltage between two electrodes movable relative to each other and between which a drop of water is trapped. Such an assembly is for example described in the following article: Pak and Al, "Electrical power generation by mechanically modulating electrical double layers", Nature Communication, 2013. Such a device is difficult to implement reliably out of the conditions of 'a laboratory. Energy recovery devices operating based on a deformation of piezoelectric material are also developed. The following article gives some examples: "A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics"; S. Roundy and PK Wright; INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING; 1131-1142 (2004). The reliability over time of such devices is not entirely satisfactory.
L'invention vient améliorer la situation. The invention improves the situation.
La demanderesse propose un convertisseur d'énergie comprenant au moins une cellule électrochimique et un organe formant interrupteur. La cellule électrochimique comprend une enceinte, au moins deux électrodes, chacune des électrodes étant disposée au moins en partie dans l'enceinte, et un électrolyte contenu dans l'enceinte entre les deux électrodes. La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l'électrolyte est conjointement sélectionnées de sorte que : The Applicant proposes an energy converter comprising at least one electrochemical cell and a switch member. The electrochemical cell comprises an enclosure, at least two electrodes, each of the electrodes being disposed at least partially in the enclosure, and an electrolyte contained in the enclosure between the two electrodes. The composition and structure of each of the two electrodes and the electrolyte are jointly selected so that:
- chacune des électrodes est chimiquement inerte dans l'électrolyte, et each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte, and
- en l'absence de polarisation externe, les électrodes présentent l'une par rapport à l'autre une différence de potentiel non nulle. - In the absence of external bias, the electrodes have a non-zero potential difference with respect to each other.
L'organe formant interrupteur étant relié électriquement entre les deux électrodes de la cellule électrochimique, ledit organe étant agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l'effet d'une énergie externe. The switch member being electrically connected between the two electrodes of the electrochemical cell, said member being arranged to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of an external energy.
Un tel convertisseur permet de convertir une énergie externe en une énergie électrique par l'intermédiaire d'une énergie capacitive et de manière sensiblement continue. Le convertisseur ne nécessite pas une alimentation préalable par une source d'énergie électrique externe. L'énergie électrique peut être consommée immédiatement ou stockée pour une utilisation ultérieure. Such a converter makes it possible to convert an external energy into an electrical energy by means of a capacitive energy and in a substantially continuous manner. The converter does not require a prior power supply from an external power source. Electrical energy can be consumed immediately or stored for later use.
En outre, un tel convertisseur peut présenter des formes et dimension variées, ce qui permet de s'adapter à de nombreux usages et conditions, notamment en termes de compacité, fiabilité, type et intensité de l'énergie externe disponible en entrée, et quantité d'énergie à fournir en sortie. Dans des applications relatives aux objets portables, parfois appelés « wearables », le convertisseur peut être agencé pour s'intégrer dans un environnement pour lequel la taille et/ou la masse doivent être particulièrement faibles. L'interrupteur soumis à l'énergie externe peut être déporté et/ou détachable de la cellule électrochimique. La cellule peut présenter une forme sensiblement plate. Plusieurs cellules peuvent être combinées, par exemple en un empilement
dans lequel une électrode peut être commune à deux cellules superposées. Aucun mouvement des électrodes l'une par rapport à l'autre n'est nécessaire au fonctionnement, ce qui participe à la fiabilité de la cellule électrochimique. L'absence de réaction chimique volontaire dans l'enceinte permet de conférer à la cellule électrochimique une durée de vie théorique infinie. Ni les électrodes, ni l'électrolyte ne sont consommés. En outre, et par comparaison aux dispositifs de stockage d'énergie connus et de dimensions comparables, l'énergie capacitive stockée dans la cellule électrochimique est faible en quantité et de courte durée : les successions d'ouvertures et de fermetures de l'interrupteur permettent de fournir de manière cumulée une quantité d'énergie d'origine externe substantielle. Ce mode de fonctionnement permet de qualifier l'ensemble du dispositif de convertisseur d'énergie en énergie électrique plutôt que de dispositif de stockage d'énergie. L'énergie entrante prélevée localement active l'organe formant interrupteur. L'organe formant interrupteur est ouvert/fermé de façon répétée. Le convertisseur peut être couplé à un dispositif de stockage d'énergie, par exemple connu en soit, pour consommer l'énergie externe lorsqu'elle est disponible et restituer l'énergie électrique lorsqu'elle est nécessaire. In addition, such a converter may have various shapes and dimensions, which makes it possible to adapt to many uses and conditions, particularly in terms of compactness, reliability, type and intensity of the external energy available at the input, and quantity of energy to output. In applications relating to portable objects, sometimes called "wearables", the converter can be arranged to integrate in an environment for which the size and / or mass must be particularly low. The switch subjected to external energy can be deported and / or detachable from the electrochemical cell. The cell may have a substantially flat shape. Several cells can be combined, for example in a stack wherein an electrode may be common to two superimposed cells. No movement of the electrodes relative to each other is necessary for operation, which contributes to the reliability of the electrochemical cell. The absence of a voluntary chemical reaction in the chamber makes it possible to confer on the electrochemical cell an infinite theoretical lifetime. Neither the electrodes nor the electrolyte are consumed. In addition, and compared to known energy storage devices and comparable dimensions, the capacitive energy stored in the electrochemical cell is small in quantity and short duration: the successions of openings and closures of the switch allow to cumulatively provide a quantity of energy of substantial external origin. This mode of operation makes it possible to qualify the entire energy converter device as electrical energy rather than as an energy storage device. The incoming energy taken locally activates the switch member. The switch member is open / closed repeatedly. The converter may be coupled to an energy storage device, for example known in itself, to consume the external energy when it is available and to restore the electrical energy when it is necessary.
Selon un second aspect, la demanderesse propose un kit comprenant les éléments suivants :According to a second aspect, the applicant proposes a kit comprising the following elements:
- une cellule électrochimique comprenant une enceinte, au moins deux électrodes, chacune des électrodes étant disposée au moins en partie dans l'enceinte, et un électrolyte contenu dans l'enceinte entre les deux électrodes, et an electrochemical cell comprising an enclosure, at least two electrodes, each of the electrodes being disposed at least partly in the enclosure, and an electrolyte contained in the enclosure between the two electrodes, and
- un organe formant interrupteur apte à être relié électriquement entre deux électrodes d'une cellule électrochimique. Ledit organe est agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l'effet d'une énergie externe. - A switch member adapted to be electrically connected between two electrodes of an electrochemical cell. Said member is arranged to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of an external energy.
La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l'électrolyte est conjointement sélectionnées de sorte que : The composition and structure of each of the two electrodes and the electrolyte are jointly selected so that:
- chacune des électrodes est chimiquement inerte dans l'électrolyte, each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte,
- en l'absence de polarisation externe, les électrodes présentent l'une par rapport à l'autre une différence de potentiel non nulle. - In the absence of external bias, the electrodes have a non-zero potential difference with respect to each other.
L'organe formant interrupteur étant apte à être relié électriquement entre les deux électrodes de la cellule électrochimique. The switch member being adapted to be electrically connected between the two electrodes of the electrochemical cell.
Le kit peut en outre comprendre un circuit de commande apte à être relié électriquement aux deux électrodes de la cellule électrochimique, le circuit de commande étant agencé de sorte que, une fois relié à la cellule électrochimique, l'énergie capacitive de la cellule électrochimique est
convertie en énergie électrique apte à alimenter un dispositif de stockage d'énergie lorsque l'organe formant interrupteur passe à un état fermé. The kit may further comprise a control circuit adapted to be electrically connected to the two electrodes of the electrochemical cell, the control circuit being arranged so that, once connected to the electrochemical cell, the capacitive energy of the electrochemical cell is converted into electrical energy capable of supplying an energy storage device when the switch member changes to a closed state.
Selon un autre aspect, la demanderesse propose un capteur comprenant un convertisseur d'énergie tel que défini dans les présentes. Un tel capteur peut être au moins en partie autonome, c'est-à-dire rendu indépendant d'une alimentation électrique externe. L'énergie nécessaire au fonctionnement du capteur peut être entièrement prélevée de son environnement immédiat sous une forme autre qu'électrique et convertie en énergie électrique par l'intermédiaire du convertisseur. La mise en œuvre d'un convertisseur tel que défini dans les présentes est particulièrement avantageux dans le contexte de capteurs, notamment de petite dimension. De tels capteurs peuvent être disposés aisément dans des emplacements difficiles d'accès. L'installation d'un câblage pour une alimentation électrique du capteur et/ou l'accès en maintenance pour échanger une batterie sont rendus superflus. Dans le cas de capteurs aptes à communiquer des données sans fil (capteurs dits « communicants »), les capteurs peuvent être dépourvus de toute connexion physique externe. In another aspect, the Applicant proposes a sensor comprising an energy converter as defined herein. Such a sensor may be at least partly autonomous, that is to say rendered independent of an external power supply. The energy required for the operation of the sensor can be entirely removed from its immediate environment in a form other than electrical and converted into electrical energy through the converter. The implementation of a converter as defined herein is particularly advantageous in the context of sensors, especially small. Such sensors can be easily arranged in locations that are difficult to access. The installation of a wiring for a sensor power supply and / or access to maintenance to exchange a battery are made superfluous. In the case of sensors capable of communicating wireless data (so-called "communicating" sensors), the sensors may be devoid of any external physical connection.
Les caractéristiques suivantes peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : The following features may optionally be implemented. They can be implemented independently of each other or in combination with each other:
- La composition et la structure de chacune des deux électrodes et la composition de l'électrolyte sont conjointement sélectionnées de sorte que les ions accumulés à proximité de chacune des deux électrodes sont de signes opposés. Ceci facilite la répartition des anions/cations dans l'électrolyte. - L'une au moins des électrodes comprend du métal. Les électrodes en métal sont fiables dans le temps, peuvent subir des déformations tout en restant fonctionnelles et sont peu coûteuses. The composition and the structure of each of the two electrodes and the composition of the electrolyte are jointly selected so that the ions accumulated near each of the two electrodes are of opposite signs. This facilitates the distribution of anions / cations in the electrolyte. At least one of the electrodes comprises metal. Metal electrodes are reliable over time, can deform while remaining functional and are inexpensive.
- L'une au moins des électrodes comprend du métal. La composition du métal et le pH de l'électrolyte sont conjointement sélectionnés de sorte que ladite au moins une électrode présente une couche externe de passivation. La passivation permet de protéger les électrodes des réactions chimiques non souhaitées, notamment par oxydo-réduction. At least one of the electrodes comprises metal. The composition of the metal and the pH of the electrolyte are jointly selected so that the at least one electrode has an external passivation layer. Passivation protects the electrodes from unwanted chemical reactions, in particular by oxidation-reduction.
- L'une au moins des électrodes comprend du carbone poreux. Le carbone poreux présente une bonne stabilité chimique et peut être combiné avec diverse autres électrodes et divers électrolytes.
- La première électrode comprend du carbone poreux. La seconde électrode comprend du zinc, du magnésium ou de l'aluminium. L'électrolyte comprend une solution saline sous forme liquide ou de gel. Les différentes combinaisons testées par la demanderesse ont montré de bonnes performances. At least one of the electrodes comprises porous carbon. Porous carbon has good chemical stability and can be combined with various other electrodes and electrolytes. - The first electrode comprises porous carbon. The second electrode comprises zinc, magnesium or aluminum. The electrolyte comprises a saline solution in liquid or gel form. The various combinations tested by the applicant have shown good performance.
- La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l'électrolyte, et l'agencement mutuel des électrodes dans l'enceinte, sont conjointement sélectionnés de sorte que, en l'absence de polarisation externe, la charge capacitive entre les deux électrodes dans un régime stable est comprise entre 0,01 et 10 F.cnï2. De telles charges peuvent être atteintes avec des structures particulièrement compactes tout en étant suffisantes pour alimenter les objets les moins énergivores. The composition and the structure of each of the two electrodes and of the electrolyte, and the mutual arrangement of the electrodes in the enclosure, are jointly selected so that, in the absence of external polarization, the capacitive load between the two electrodes in a stable regime is between 0.01 and 10 F.cnï 2 . Such charges can be achieved with particularly compact structures while being sufficient to power the least energy consuming objects.
- Le convertisseur d'énergie comprend en outre : - The energy converter further comprises:
- un circuit de commande relié électriquement aux deux électrodes de la cellule électrochimique et incluant l'organe formant interrupteur, et a control circuit electrically connected to the two electrodes of the electrochemical cell and including the switch member, and
- un dispositif de stockage d'énergie relié électriquement aux deux électrodes par l'intermédiaire du circuit de commande. - An energy storage device electrically connected to the two electrodes via the control circuit.
Le circuit de commande est agencé de sorte que l'énergie capacitive de la cellule électrochimique est convertie en énergie électrique alimentant le dispositif de stockage d'énergie lorsque l'organe formant interrupteur est à l'état fermé. Un tel convertisseur peut ainsi équiper un appareil en le rendant autonome. Il devient inutile de recharger ou de remplacer la batterie. - L'organe formant interrupteur comprend au moins un transistor. Ceci permet d'améliorer la fiabilité en remplaçant au moins en partie des composants mécaniques. The control circuit is arranged so that the capacitive energy of the electrochemical cell is converted into electrical energy supplying the energy storage device when the switch member is in the closed state. Such a converter can equip a device by making it autonomous. It becomes unnecessary to recharge or replace the battery. - The switch member comprises at least one transistor. This improves reliability by replacing at least some of the mechanical components.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l'analyse des dessins annexés, sur lesquels : Other features, details and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below, and on the analysis of the appended drawings, in which:
- la figure 1 montre un schéma d'un convertisseur selon l'invention, FIG. 1 shows a diagram of a converter according to the invention,
- les figures 2 et 3 montrent chacune un schéma équivalent à un état de fonctionnement d'un convertisseur selon l'invention, FIGS. 2 and 3 each show a diagram equivalent to an operating state of a converter according to the invention,
- la figure 4 montre une mesure d'une tension aux bornes d'une résistance de mesure disposée entre les électrodes à la fermeture d'un interrupteur d'un convertisseur selon l'invention,
- la figure 5 montre une mesure d'une tension aux bornes d'une résistance de mesure disposée entre les électrodes d'un convertisseur selon l'invention, FIG. 4 shows a measurement of a voltage across a measurement resistor disposed between the electrodes at the closing of a switch of a converter according to the invention, FIG. 5 shows a measurement of a voltage across a measurement resistor disposed between the electrodes of a converter according to the invention,
- la figure 6 montre des résultats expérimentaux d'une mesure de tension en fonction du temps, FIG. 6 shows experimental results of a voltage measurement as a function of time,
- la figure 7 est une représentation schématique d'un montage expérimental, FIG. 7 is a schematic representation of an experimental setup,
- la figure 8 montre deux courbes superposées d'une tension mesurée et d'une valeur de résistance d'un interrupteur au cours du temps, et FIG. 8 shows two superimposed curves of a measured voltage and a resistance value of a switch over time, and
- les figures 9 et 10 sont deux clichés d'une électrode de zinc expérimentale. FIGS. 9 and 10 are two views of an experimental zinc electrode.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. The drawings and the description below contain, for the most part, elements of a certain character. They can therefore not only serve to better understand the present invention, but also contribute to its definition, if any.
Dans la suite, les termes d' « échanges volontaires » sont employés à propos d'ions. Par échange volontaire, on entend ici se distinguer de dispositifs connus pour lesquels les phénomènes d'oxydo-réduction et d'électrolyse sont nécessaires, et donc volontaires, pour fournir un courant. Dans le présent contexte, de tels échanges sont en théorie inexistants. En pratique, des défauts ou impuretés peuvent conduire à des échanges involontaires d'ions entre les électrodes et l'électrolyte. De tels échanges sont considérés comme négligeables. La figure 1 montre un convertisseur 1. Le convertisseur 1 comprend au moins une cellule électrochimique 3 et un organe 5 formant interrupteur. In the following, the terms "voluntary exchanges" are used in connection with ions. Voluntary exchange here means to distinguish itself from known devices for which the oxidation-reduction and electrolysis phenomena are necessary, and therefore voluntary, to supply a current. In the present context, such exchanges are in theory non-existent. In practice, defects or impurities can lead to involuntary ion exchanges between the electrodes and the electrolyte. Such exchanges are considered negligible. Figure 1 shows a converter 1. The converter 1 comprises at least one electrochemical cell 3 and a switch member 5.
La cellule 3 comprend une enceinte 31, ou enveloppe, une première électrode 33, une deuxième électrode 35 et un électrolyte 37. The cell 3 comprises an enclosure 31, or enclosure, a first electrode 33, a second electrode 35 and an electrolyte 37.
Chacune des électrodes 33, 35 est disposée au moins en partie dans l'enceinte 31. Dans l'exemple décrit ici, chacune des électrodes 33, 35 est entièrement contenue dans l'enceinte 31. Chacune des électrodes 33, 35 est électriquement reliée à un élément conducteur faisant saillie de l'enceinte 31. Ainsi, les parties faisant saillie de l'enceinte 31 forment des connecteurs, ou bornes, de la cellule 3 par l'intermédiaire desquelles chacune des électrodes 33, 35 peut être électriquement reliée à des éléments externes à la cellule 3. En variante, l'une au moins des électrodes 33, 35 fait saillie de la cellule 3 au travers de l'enceinte 31. Une telle électrode 33, 35 peut être directement reliée à des éléments externes à la cellule 3. L'enceinte 31 présente des propriétés d'étanchéité compatibles avec l'électrolyte 37 et aptes à empêcher sa fuite vers l'extérieur de l'enceinte 3. L'enceinte 31 protège en outre le contenu de la cellule 3 contre
l'environnement extérieur de manière à limiter les risques de contamination qui pourrait conduire à des réactions chimiques non souhaitées, en particulier des phénomènes d'oxydation. Each of the electrodes 33, 35 is arranged at least partly in the chamber 31. In the example described here, each of the electrodes 33, 35 is entirely contained in the enclosure 31. Each of the electrodes 33, 35 is electrically connected to a conductive element projecting from the enclosure 31. Thus, the parts projecting from the enclosure 31 form connectors, or terminals, of the cell 3 through which each of the electrodes 33, 35 may be electrically connected to 3. Alternatively, at least one of the electrodes 33, 35 protrudes from the cell 3 through the enclosure 31. Such an electrode 33, 35 can be directly connected to external elements at the same time. cell 3. The enclosure 31 has sealing properties compatible with the electrolyte 37 and able to prevent its leakage to the outside of the enclosure 3. The enclosure 31 further protects the contents of the cell 3 against the external environment so as to limit the risks of contamination which could lead to unwanted chemical reactions, in particular oxidation phenomena.
Dans l'exemple de fonctionnement décrit ensuite, et conformément à ce qui est représenté sur les figures, la première électrode 33 forme une anode 33 tandis que la deuxième électrode 35 forme une cathode 35. En fonctionnement, la cellule 3 est dépourvue d'échange volontaire d'ions entre les électrodes 33, 35 et l'électrolyte 37. Il est précisé que l'emploi des termes « anode » et « cathode » est habituellement réservé aux systèmes faradiques, par exemple dans lesquels l'anode est apte à céder des électrons par réaction chimique avec un substrat tandis la cathode capte des électrons par réaction chimique avec un substrat. Dans le présent contexte, en l'absence de réaction chimique volontaire, les termes « anode » et « cathode » sont utilisés par analogie pour faciliter la distinction entre les deux électrodes 33, 35. Conformément à la figure 1, l'anode 33 libère des électrons dans le circuit tandis que la cathode 35 capte les électrons du circuit. In the operating example described next, and according to what is shown in the figures, the first electrode 33 forms an anode 33 while the second electrode 35 forms a cathode 35. In operation, the cell 3 is devoid of exchange voluntary ion between the electrodes 33, 35 and the electrolyte 37. It is stated that the use of the terms "anode" and "cathode" is usually reserved for faradic systems, for example in which the anode is able to give way electrons by chemical reaction with a substrate while the cathode captures electrons by chemical reaction with a substrate. In the present context, in the absence of a voluntary chemical reaction, the terms "anode" and "cathode" are used by analogy to facilitate the distinction between the two electrodes 33, 35. In accordance with FIG. 1, the anode 33 releases electrons in the circuit while the cathode 35 captures the electrons of the circuit.
L'électrolyte 37 est contenu dans l'enceinte 31. L'électrolyte 37 est contenu au moins entre les deux électrodes 33, 35 et au contact de chacune des deux électrodes 33, 35. Dans l'exemple décrit ici, les électrodes 33, 35 baignent dans l'électrolyte 37. En variante, les électrodes 33, 35 peuvent former partie au moins de l'enceinte 31. En variante, une enceinte peut contenir une pluralité de couples d'électrodes. Par exemple, les électrodes peuvent former des parois compartimentant l'intérieur de l'enceinte 31. L'enceinte loge alors une alternance d'anode et de cathode, une électrode pouvant être appariée avec deux électrodes distinctes. The electrolyte 37 is contained in the enclosure 31. The electrolyte 37 is contained at least between the two electrodes 33, 35 and in contact with each of the two electrodes 33, 35. In the example described here, the electrodes 33, In a variant, the electrodes 33, 35 may form at least part of the enclosure 31. In a variant, an enclosure may contain a plurality of pairs of electrodes. For example, the electrodes can form walls compartmentalizing the inside of the enclosure 31. The enclosure then houses an alternation of anode and cathode, an electrode that can be paired with two separate electrodes.
La composition et la structure de chacune des deux électrodes 33, 35 et de l'électrolyte 37 sont conjointement sélectionnées de sorte que : The composition and the structure of each of the two electrodes 33, 35 and the electrolyte 37 are jointly selected so that:
- chacune des électrodes 33, 35 est chimiquement inerte dans l'électrolyte 37, each of the electrodes 33, 35 is chemically inert in the electrolyte 37,
- en l'absence de polarisation externe, les électrodes 33, 35 présentent chacune une différence de potentiel non nulle avec l'électrolyte 37, de sorte qu'une accumulation d'ions de l'électrolyte 37 est générée à proximité de chacune des deux électrodes 33, 35, et in the absence of external polarization, the electrodes 33, 35 each have a non-zero potential difference with the electrolyte 37, so that an accumulation of ions of the electrolyte 37 is generated near each of the two electrodes 33, 35, and
- en l'absence de polarisation externe, les électrodes 33, 35 présentent une différence de potentiel non nulle entre elles, de sorte que l'accumulation d'ions à proximité de chacune des deux électrodes 33, 35 est dissymétrique l'une par rapport à l'autre. in the absence of external polarization, the electrodes 33, 35 have a non-zero potential difference between them, so that the accumulation of ions near each of the two electrodes 33, 35 is asymmetrical relative to to the other.
Les électrodes 33, 35 peuvent présenter chacune un potentiel standard apparent, les deux potentiels standards étant différents l'un de l'autre. Ceci correspond notamment à un exemple à
deux électrodes métalliques différentes. Les termes de « potentiel standard apparent » sont utilisés par analogie avec les systèmes d'oxydo-réduction. Néanmoins, les réactions d'oxydo- réduction sont empêchées dans le convertisseur 1. Les électrodes peuvent présenter, notamment en surface, des sites excédentaires ou déficitaires en charges. Ceci correspond notamment au cas d'une électrode en carbone poreux décrit ci-après. The electrodes 33, 35 may each have an apparent standard potential, the two standard potentials being different from each other. This corresponds in particular to an example two different metal electrodes. The terms "apparent standard potential" are used by analogy with oxidation-reduction systems. However, the oxidation-reduction reactions are prevented in the converter 1. The electrodes may have, especially at the surface, excess sites or deficient in charges. This corresponds in particular to the case of a porous carbon electrode described below.
De telles différences de potentiels sont permises par la sélection de la nature (structure et composition) des électrodes et de l'électrolyte. Les différences de potentiel des électrodes 33, 35 et de l'électrolyte 37 et l'accumulation des ions (anions ou cations) aux interfaces électrode-électrolyte qui en résulte (phénomènes d' adsorption) permet de former une double couche électrique à la surface de chaque électrode 33, 35 en contact avec l'électrolyte 37. Les ions forment un écran à la surface de l'électrode. Chacune de ces interfaces stocke alors une énergie capacitive. L'asymétrie de l'accumulation entre l'anode 33 et la cathode 35 entraîne un déséquilibre de charge entre les deux électrodes 33, 35. L'électrolyte 37 permet le transport des ions mais pas des électrons. Dans un état ouvert de l'organe formant interrupteur 5, la circulation des charges (les électrons) de l'une à l'autre des électrodes 33, 35 est donc empêchée. Un déséquilibre électrique est volontairement créé. Dans l'exemple décrit ici, une première des électrodes, ici l'anode 33, comprend un matériau poreux. La porosité permet d'atteindre une grande interface d' adsorption avec l'électrolyte 37 pour un faible volume occupé de l'électrode. Lorsque l'une seulement des deux électrodes est poreuse, une différence de superficie d'interface est créée entre deux électrodes aux formes et dimensions similaires par ailleurs. Ceci participe à l'asymétrie des charges entre les deux pôles de la cellule 3. L'électrode présente par exemple une porosité libre supérieure à 60% en volume. La porosité est mesurée, par exemple, par porosimètre au mercure. La porosité permet en outre de réduire la masse de l'électrode. Dans l'exemple décrit ici, du carbone poreux est utilisé. L'électrode est rendue électriquement conductrice par l'ajout de noir de carbone. Une telle électrode est inerte avec certains au moins des électrolytes utilisés dans les exemples décrits ci- après, facile à mettre en œuvre et peu coûteuse. Des méthodes de fabrication de telles électrodes sont connues et par exemple décrites dans l'article suivant : Salitra, G., Soffer, A., Eliad, L., Cohen, Y. & Aurbach, D. Carbon électrodes for double -layer capacitors. I. "Relations between ion and pore dimensions". J. Electrochem. Soc. 147, 2486-2493 (2000).
Dans l'exemple décrit ici, la seconde des électrodes, ici la cathode 35, comprend un métal. La cathode 35 comprend du zinc (Zn). La nature du métal et le pH de l'électrolyte 37 sont conjointement choisis ou ajustés de manière à favoriser la création et/ou la préservation d'une couche externe d'oxyde sur l'électrode. La couche d'oxyde protège l'électrode de l'oxydation, notamment par de l'oxygène. La couche d'oxyde rend et/ou maintient l'électrode chimiquement inerte et insensible aux réactions d'oxy do-réduction dans l'électrolyte (passivation). Dans l'exemple d'une électrode en zinc, le pH de l'électrolyte 57 est choisi de préférence compris entre 9 et 11,25, par exemple environ 10, 7, afin de favoriser l'existence d'une couche d'hydroxyde Zn(OH)2(S) protectrice. Such potential differences are enabled by the selection of the nature (structure and composition) of the electrodes and the electrolyte. The potential differences of electrodes 33, 35 and electrolyte 37 and the accumulation of ions (anions or cations) at the resulting electrode-electrolyte interfaces (adsorption phenomena) makes it possible to form an electrical double layer on the surface. each electrode 33, 35 in contact with the electrolyte 37. The ions form a screen on the surface of the electrode. Each of these interfaces then stores a capacitive energy. The asymmetry of the accumulation between the anode 33 and the cathode 35 causes a charge imbalance between the two electrodes 33, 35. The electrolyte 37 allows the transport of the ions but not the electrons. In an open state of the switch member 5, the flow of charges (electrons) from one to the other of the electrodes 33, 35 is thus prevented. An electrical imbalance is voluntarily created. In the example described here, a first of the electrodes, here the anode 33, comprises a porous material. The porosity makes it possible to reach a large adsorption interface with the electrolyte 37 for a small occupied volume of the electrode. When only one of the two electrodes is porous, a difference in interface area is created between two electrodes of similar shapes and dimensions. This contributes to the asymmetry of the charges between the two poles of the cell 3. The electrode has, for example, a free porosity greater than 60% by volume. Porosity is measured, for example, by mercury porosimeter. The porosity also makes it possible to reduce the mass of the electrode. In the example described here, porous carbon is used. The electrode is made electrically conductive by the addition of carbon black. Such an electrode is inert with at least some electrolytes used in the examples described below, easy to implement and inexpensive. Methods of manufacturing such electrodes are known and for example described in the following article: Salitra, G., Soffer, A., Eliad, L., Cohen, Y. & Aurbach, D. Carbon electrodes for double -layer capacitors . I. "Relations between ion and pore dimensions". J. Electrochem. Soc. 147, 2486-2493 (2000). In the example described here, the second of the electrodes, here the cathode 35, comprises a metal. The cathode 35 comprises zinc (Zn). The nature of the metal and the pH of the electrolyte 37 are jointly selected or adjusted to promote the creation and / or preservation of an outer layer of oxide on the electrode. The oxide layer protects the electrode from oxidation, in particular by oxygen. The oxide layer renders and / or maintains the electrode chemically inert and insensitive to oxy-reduction reactions in the electrolyte (passivation). In the example of a zinc electrode, the pH of the electrolyte 57 is preferably chosen to be between 9 and 11.25, for example about 10.7, in order to promote the existence of a hydroxide layer. Protective Zn (OH) 2 (S) .
Le Zinc présente une faible masse, une bonne flexibilité, et est peu coûteux par comparaison avec d'autres métaux. En variante, d'autres métaux peuvent être utilisés, par exemple de l'aluminium (Al) ou du gallium (Ga). Dans ces cas, la composition de l'électrolyte 37, et en particulier son pH, sont adaptés afin de rendre l'électrode chimiquement inerte. Zinc has a low mass, good flexibility, and is inexpensive compared to other metals. Alternatively, other metals may be used, for example aluminum (Al) or gallium (Ga). In these cases, the composition of the electrolyte 37, and in particular its pH, are adapted to render the electrode chemically inert.
La composition de l'électrolyte 37 est choisie de manière à permettre la mobilité des ions tout en étant électriquement isolant. Par isolant électrique, on entend ici que la composition de l'électrolyte, la distance inter-électrodes et les tensions de fonctionnement prévues sont compatibles pour éviter l'apparition d'arc électrique entre les deux électrodes (claquage). L'électrolyte 37 peut comprendre un liquide ionique tel qu'une solution aqueuse ou un solvant organique, un gaz ionisé ou tout autre fluide contenant des ions mobiles. Dans les exemples décrits ici, les électrolytes 37 comprennent des solutions de sels ioniques. Tels que NaCl, KC1, KN03, MgCl2. Le pH de la solution peut être ajusté par l'ajout d'un acide ou d'une base. Dans l'exemple d'une anode 33 en carbone poreux et d'une cathode 35 en zinc, un électrolyte 37 comprenant une solution aqueuse avec un sel tel que du chlorure de sodium NaCl et de l'hydroxyde de sodium NaOH peut par exemple être utilisée. The composition of the electrolyte 37 is chosen so as to allow the mobility of the ions while being electrically insulating. By electrical insulation is meant here that the composition of the electrolyte, the inter-electrode distance and the expected operating voltages are compatible to prevent the appearance of an electric arc between the two electrodes (breakdown). The electrolyte 37 may comprise an ionic liquid such as an aqueous solution or an organic solvent, an ionized gas or any other fluid containing mobile ions. In the examples described herein, the electrolytes 37 include ionic salt solutions. Such as NaCl, KCl, KNO 3 , MgCl 2 . The pH of the solution can be adjusted by adding an acid or a base. In the example of a porous carbon anode 33 and a zinc cathode, an electrolyte 37 comprising an aqueous solution with a salt such as sodium chloride NaCl and sodium hydroxide NaOH may for example be used.
L'électrolyte 37 prend ici une forme liquide. En variante, l'électrolyte peut prendre la forme d'un solide, d'un gel, d'un gaz ou même d'un plasma. Une forme solide ou de gel permet de réduire les risques de fuite en cas de défaut d'étanchéité de l'enceinte 31. The electrolyte 37 here takes a liquid form. Alternatively, the electrolyte may take the form of a solid, a gel, a gas or even a plasma. A solid form or gel reduces the risk of leakage in case of leakage of the enclosure 31.
Le tableau suivant présente quelques exemples de combinaisons possibles. The following table shows some examples of possible combinations.
3 Carbone poreux Aluminium NaCl 5 - 7 3 Porous carbon Aluminum NaCl 5 - 7
4 Carbone poreux Zinc Gel aqueux + NaCl 9 - 11,25 4 Porous Carbon Zinc Aqueous Gel + NaCl 9 - 11.25
L'organe 5 formant interrupteur est relié électriquement entre les deux électrodes 33, 35 de la cellule 3. Ledit organe 5 présente un état ouvert, c'est-à-dire isolant électriquement les électrodes 33, 35 l'une de l'autre, et un état fermé, c'est-à-dire permettant la circulation des charges (les électrons) d'une électrode à l'autre. The switch member 5 is electrically connected between the two electrodes 33, 35 of the cell 3. Said member 5 has an open state, that is to say electrically isolating the electrodes 33, 35 from each other , and a closed state, that is to say allowing the flow of charges (electrons) from one electrode to another.
Dans un exemple expérimental, l'organe 5 formant interrupteur est commandé par un actionneur piézoélectrique. Ainsi, une fréquence d'ouverture/fermeture peut être choisie avec précision. Par exemple des fréquences comprises entre 0,1 et 10 hertz peuvent être appliquées. L'organe 5 peut comprendre, par exemple, un interrupteur à lame souple (« Reed switch »). Un tel interrupteur peut être activé à distance par l'intermédiaire de champs magnétiques. En variante, l'organe 5 peut comprendre un interrupteur bimétal, pouvant être activé par des variations de température. L'organe 5 peut aussi comprendre un transistor. La fonction d'interrupteur peut, par exemple, être assurée par un transistor plutôt que par un interrupteur mécanique. Le transistor passe alternativement d'un état passant à un état bloquant et vice versa sous l'effet d'une stimulation externe. L'organe 5 est adapté en fonction du type d'énergie fournie en entrée du convertisseur 1 et des fréquences de fonctionnement prévues. In an experimental example, the switch member 5 is controlled by a piezoelectric actuator. Thus, an open / close frequency can be chosen precisely. For example, frequencies between 0.1 and 10 Hz can be applied. The member 5 may comprise, for example, a switch with a flexible blade ("Reed switch"). Such a switch can be activated remotely via magnetic fields. Alternatively, the member 5 may comprise a bimetal switch, which can be activated by temperature variations. The member 5 may also include a transistor. The switch function can, for example, be provided by a transistor rather than a mechanical switch. The transistor alternately passes from a passing state to a blocking state and vice versa under the effect of external stimulation. The member 5 is adapted according to the type of energy supplied to the input of the converter 1 and the expected operating frequencies.
À l'état ouvert de l'organe 5, le déséquilibre de charges entre les deux électrodes 33, 35 décrit ci-avant est maintenu. De l'énergie capacitive est stockée à l'interface de l'anode 33 avec l'électrolyte 37 et à l'interface de la cathode 35 avec l'électrolyte 37. Le courant circulant dans le circuit est nul. Cet état est équivalent au schéma électrique représenté en figure 2 et à une capacité chargée. Une différence de potentiel peut être mesurée entre les deux électrodes 33, 35, par exemple au moyen d'un voltmètre V. Cette différence de potentiel résulte de la différence de potentiel entre les deux électrodes. La valeur de la différence de potentiel peut être choisie en jouant sur la combinaison de la nature (par exemple la composition) des deux électrodes 33, 35, leur structure (par exemple poreuse ou non), leurs dimensions, leurs positions et orientations mutuelles. À la fermeture de l'organe 5 formant interrupteur, les électrodes sont mises en court-circuit. Les doubles couches ioniques aux deux interfaces électrodes-électrolyte se restructurent. Une telle réorganisation ionique est concomitante de la circulation des charges (les électrons) dans le
circuit. Par l'effet du rééquilibrage électrique, des électrons se déplacent de l'anode 33 vers la cathode 35. Le courant est non nul. Cet état est équivalent au schéma électrique représenté en figure 3 et à une capacité qui se décharge dans un circuit. La circulation du courant peut être mesurée au moyen d'un voltmètre V et par l'interposition d'une résistance R entre les deux électrodes 33, 35 (loi d'Ohm). In the open state of the member 5, the imbalance of charges between the two electrodes 33, 35 described above is maintained. Capacitive energy is stored at the interface of the anode 33 with the electrolyte 37 and at the interface of the cathode 35 with the electrolyte 37. The current flowing in the circuit is zero. This state is equivalent to the electrical diagram shown in FIG. 2 and to a charged capacity. A potential difference can be measured between the two electrodes 33, 35, for example by means of a voltmeter V. This potential difference results from the potential difference between the two electrodes. The value of the difference in potential can be chosen by playing on the combination of the nature (for example the composition) of the two electrodes 33, 35, their structure (for example porous or not), their dimensions, their positions and mutual orientations. Upon closure of the switch member 5, the electrodes are short-circuited. The double ionic layers at the two electrolyte-electrolyte interfaces are being restructured. Such an ionic reorganization is concomitant with the circulation of charges (the electrons) in the circuit. By the effect of the electrical rebalancing, electrons move from the anode 33 to the cathode 35. The current is non-zero. This state is equivalent to the electrical diagram shown in FIG. 3 and to a capacitance that discharges into a circuit. The flow of the current can be measured by means of a voltmeter V and by the interposition of a resistor R between the two electrodes 33, 35 (Ohm's law).
Le graphique de la figure 4 représente la tension (en Volts) aux borne d'une résistance de 100 Ohms branchées entre les deux électrodes 33, 35 en fonction du temps (en secondes). Le passage de l'état ouvert à l'état fermé de l'organe 5 formant interrupteur est provoqué une seule fois à l'instant t = 15 secondes. À T = 6 000 secondes, la tension est sensiblement stable à environ 20 mV. The graph of FIG. 4 represents the voltage (in volts) at the terminals of a 100 ohm resistor connected between the two electrodes 33, 35 as a function of time (in seconds). The transition from the open state to the closed state of the switch member 5 is caused once at time t = 15 seconds. At T = 6000 seconds, the voltage is substantially stable at about 20 mV.
Le graphique de la figure 5 représente la tension (en Volts) aux borne d'une résistance de 100 Ohms branchées entre les deux électrodes 33, 35 en fonction du temps (en secondes). L'organe 5 formant interrupteur passe de l'état ouvert à l'état fermé à une fréquence de 6 hertz, et de l'état fermé à l'état ouvert à une fréquence de 6 hertz (soit un changement d'état dans un sens ou dans l'autre à une fréquence moyenne de 12 hertz). Le cadre référencé 71 correspond à un état ouvert, c'est-à-dire qu'aucun courant ne circule dans le circuit et la différence de potentiel entre les deux électrodes 33, 35 augmente progressivement sous l'effet de la réorganisation des interfaces ioniques, tandis que le cadre référencé 73 correspond à un état fermé, c'est-à-dire qu'un courant circule dans le circuit externe à la cellule 3 et la différence de potentiel entre les deux électrodes 33, 35 diminue progressivement sous l'effet de la réorganisation des interfaces ioniques. Le passage de l'état ouvert à l'état fermé de l'organe formant interrupteur 5 génère la création d'un courant. Ainsi, l'énergie externe fournie au convertisseur 1 via l'organe formant interrupteur 5 est convertie en une énergie électrique. L'énergie électrique fournie aux bornes du convertisseur 1, soit aux deux électrodes 33, 35, peut être consommée immédiatement par des éléments électriques adaptés. Cette énergie peut aussi être emmagasinée par un dispositif de stockage tel qu'une batterie ou un supercondensateur. Dans le cas d'un couplage de la cellule avec un dispositif de stockage, le dispositif de stockage est relié aux bornes de la cellule 3 par l'intermédiaire d'un circuit de commande. Le circuit de commande est agencé pour : The graph in FIG. 5 represents the voltage (in volts) at the terminals of a 100 ohm resistor connected between the two electrodes 33, 35 as a function of time (in seconds). The switch member 5 changes from the open state to the closed state at a frequency of 6 hertz, and from the closed state to the open state at a frequency of 6 hertz (ie a change of state in a sense or in the other at an average frequency of 12 hertz). The frame referenced 71 corresponds to an open state, that is to say that no current flows in the circuit and the potential difference between the two electrodes 33, 35 increases gradually under the effect of the reorganization of the ion interfaces , while the frame referenced 73 corresponds to a closed state, that is to say that a current flows in the external circuit to the cell 3 and the potential difference between the two electrodes 33, 35 decreases progressively under the effect of the reorganization of the ion interfaces. The transition from the open state to the closed state of the switch member 5 generates the creation of a current. Thus, the external energy supplied to the converter 1 via the switch member 5 is converted into electrical energy. The electrical energy supplied to the terminals of the converter 1, or to the two electrodes 33, 35, can be consumed immediately by suitable electrical elements. This energy can also be stored by a storage device such as a battery or a supercapacitor. In the case of a coupling of the cell with a storage device, the storage device is connected to the terminals of the cell 3 via a control circuit. The control circuit is arranged for:
- permettre la transmission du courant au dispositif de stockage lors des périodes où l'organe 5 formant interrupteur est fermé, et
- interdire le déchargement du dispositif de stockage vers la cellule 3 lorsque l'organe 5 formant interrupteur est ouvert. Le circuit de commande comprend par exemple un montage à diodes. Le circuit peut en outre comprendre un circuit d'optimisation de la tension. Un tel convertisseur permet de rendre autonome certains dispositifs consommateurs d'énergie électrique en captant une énergie disponible dans l'environnement immédiat. Une telle énergie externe captée peut être disponible sous la forme de vibrations, de chaleur, de variations de température, de mouvements, de champs magnétiques, des pressions, d'écoulements ou encore de lumière. Le convertisseur fournit en sortie une énergie capacitive plutôt que faradique. Par cet aspect, le convertisseur se différencie des batteries usuelles et peut rappeler les supercondensateurs. Le convertisseur capte l'énergie externe et la transforme en énergie électrique de manière sensiblement continue. Contrairement à un supercondensateur, il n' a pas besoin d'être mis préalablement sous tension pour fonctionner (ni initialement, ni pour être rechargé). Ceci n'aurait d'ailleurs pas de sens car, dans certains modes de réalisation, le convertisseur ne stocke pas d'énergie au sens usuel du terme (cellule électrochimique et organe interrupteur associé, dépourvue de dispositif de stockage) : l'énergie capacitive est accumulée dans les électrodes seulement de manière transitoire, durant une période d'ouverture de l'interrupteur, c'est-à-dire une durée inversement proportionnelle à la fréquence de changement d'état de l'interrupteur. Le fonctionnement et la structure de tels convertisseurs les rendent plus fiables à l'usage que des dispositifs du domaine piézo-électrique. allow the current to be transmitted to the storage device during the periods when the switch member is closed, and - To prohibit the unloading of the storage device to the cell 3 when the switch member 5 is open. The control circuit comprises for example a diode arrangement. The circuit may further comprise a voltage optimization circuit. Such a converter makes it possible to make certain electric power consuming devices autonomous by capturing an energy available in the immediate environment. Such collected external energy may be available in the form of vibrations, heat, temperature variations, motions, magnetic fields, pressures, flows or light. The converter outputs capacitive rather than faradic energy. By this aspect, the converter is different from the usual batteries and can recall the supercapacitors. The converter captures the external energy and transforms it into electrical energy in a substantially continuous manner. Unlike a supercapacitor, it does not need to be switched on beforehand to work (neither initially nor to be recharged). This would not make any sense because, in some embodiments, the converter does not store energy in the usual sense of the term (electrochemical cell and associated switch member, devoid of storage device): the capacitive energy is accumulated in the electrodes only transiently, during a period of opening of the switch, that is to say a duration inversely proportional to the frequency of change of state of the switch. The operation and structure of such converters make them more reliable for use than devices in the piezoelectric field.
La puissance fournie par un tel convertisseur peut être estimée en fonction de l'intensité fournie. La puissance correspond à l'aire sous la courbe de tension lors des phases durant lesquelles l'organe 5 formant interrupteur est dans un état fermé (cadre 73 de la figure 5). La puissance en sortie dépend notamment des dimensions de la cellule et en particulier des surfaces utiles des électrodes et de l'énergie qu'il est possible de capter dans l'environnement. La demanderesse a calculé la puissance fournie par des prototypes et estime que la puissance en fonction de la surface utile est comprise entre 0,01 et 10 mW.cm"2, de préférence entre 0,1 et 1 mW.cm"2, par exemple environ 0,3 mW.cm"2. L'homme du métier comprend notamment que de telle gammes de puissance sont adaptées à l'alimentation de dispositifs électroniques peu énergivores, notamment dans le domaine des objets connectés. Dans de tels cas, et en particulier lorsque de tels dispositifs sont portés par un utilisateur, la chaleur du corps, les vibrations et/ou les mouvements peuvent faire office d'énergie externe pour le convertisseur. L'organe formant interrupteur est adapté en fonction de l'énergie à capter.
La nature des électrodes et de l'électrolyte peut être choisie en fonction du type et des propriétés de l'énergie d'origine externe qui peut être captée dans l'environnement du convertisseur. Par exemple, la densité de la charge capacitive maximum de la cellule 3 peut être volontairement bridée de sorte que la quantité d'énergie nécessaire à l'ouverture de l'organe 5 formant interrupteur soit inférieure à la quantité d'énergie reçue par l'organe 5 formant interrupteur. The power provided by such a converter can be estimated according to the intensity provided. The power corresponds to the area under the voltage curve during the phases during which the switch member 5 is in a closed state (frame 73 of FIG. 5). The power output depends in particular on the dimensions of the cell and in particular the useful surfaces of the electrodes and the energy that can be captured in the environment. The applicant has calculated the power provided by prototypes and estimates that the power as a function of the useful surface is between 0.01 and 10 mW.cm -2 , preferably between 0.1 and 1 mW.cm -2 , example about 0.3 mW.cm "2. Those skilled in the art includes that in such power lines are adapted to supply low-energy electronic devices, particularly in the area of the connected objects. in such case, and in particular when such devices are worn by a user, the body heat, vibrations and / or movements can act as external energy for the converter.The switch member is adapted according to the energy to be captured. . The nature of the electrodes and the electrolyte can be chosen according to the type and properties of the energy of external origin that can be captured in the environment of the converter. For example, the density of the maximum capacitive load of the cell 3 may be voluntarily clamped so that the amount of energy required to open the switch member is less than the amount of energy received by the switch member. member 5 forming a switch.
Un tel convertisseur peut être fourni en pièces détachées, par exemple sous forme de kit. De préférence, un tel kit comprend au moins la cellule électrochimique 3 et l'organe formant interrupteur 5 aptes à être connectés l'un avec l' autre. Le kit peut en outre comprendre, par exemple, un dispositif de stockage d'énergie et un circuit de commande compatible. Chacun des éléments du kit est apte à être connecté de manière opérationnelle avec les autres éléments. Such a converter can be provided in spare parts, for example in kit form. Preferably, such a kit comprises at least the electrochemical cell 3 and the switch member 5 adapted to be connected to each other. The kit may further comprise, for example, a power storage device and a compatible control circuit. Each of the elements of the kit is able to be connected operationally with the other elements.
Un tel convertisseur trouve des applications particulièrement avantageuses dans les domaines de l'électronique portable, des objets connectés (ou IoT pour « Internet of Things »), des capteurs et notamment des réseaux de capteurs autonomes. Un tel convertisseur répond particulièrement bien aux contraintes de miniaturisation, de mobilité et de faibles consommations d'énergie. Le convertisseur peut être combiné avec des moyens de stockage pour une utilisation de l'énergie non synchronisée avec la disponibilité de la source d'énergie locale prélevée dans l'environnement. Dans d' autres cas, les moyens de stockage sont absents : l'énergie prélevée dans l'environnement et convertie est immédiatement consommée. Par exemple dans le cas de capteurs, l'énergie environnementale et le phénomène physique à détecter peuvent avoir une source commune. Un capteur de vibration peut à la fois détecter/mesurer des vibrations tout en se servant de l'énergie mécanique desdites vibrations pour alimenter le capteur via le convertisseur. Des capteurs de présence, de variations de températures, d'humidité ou encore de pression (interfaces tactiles) peuvent par exemple être équipés d'un convertisseur tel que défini dans les présentes. Such a converter finds particularly advantageous applications in the fields of portable electronics, connected objects (or IoT for "Internet of Things"), sensors and in particular autonomous sensor networks. Such a converter responds particularly well to the constraints of miniaturization, mobility and low energy consumption. The converter can be combined with storage means for unsynchronized energy use with the availability of the local energy source taken from the environment. In other cases, the storage means are absent: the energy taken from the environment and converted is immediately consumed. For example, in the case of sensors, the environmental energy and the physical phenomenon to be detected may have a common source. A vibration sensor can both detect / measure vibrations while using the mechanical energy of said vibrations to power the sensor via the converter. Presence sensors, temperature variations, humidity or pressure (tactile interfaces) may for example be equipped with a converter as defined herein.
La présente description s' appuie sur des essais expérimentaux mis en œuvre par les demanderesses et illustrés par les figures 6 à 10. Au cours des essais, les deux électrodes (l'une de platine, l'autre de carbone) sont immergées dans une solution aqueuse ionique de NaCl 6,1 M, dont le pH est ajusté à 10 avec NaOH. Un interrupteur est associé à ces deux électrodes (électriquement interposé entre les deux électrodes). L'interrupteur permet la connexion ou déconnexion des électrodes. Une résistance de charge, référencée Rioad en figure 7, de 100 Ω est intégrée dans le circuit pour mesurer le courant en utilisant la loi d' Ohm. La figure 6 affiche un extrait du signal mesuré dans la résistance de charge Rioad en ouvrant et fermant l'interrupteur à
une fréquence de 1 Hertz. Le signal a été enregistré pendant dix jours sans modification du montage ni variation notable du signal. La puissance enregistrée pendant ces 10 jours est constante et égale à 1μλ¥. La résistance utilisée est de 100 Ω. L'intensité du courant moyen est de 0, 1 mA. The present description is based on experimental tests carried out by the applicants and illustrated in FIGS. 6 to 10. During the tests, the two electrodes (one of platinum, the other of carbon) are immersed in a 6.1 M aqueous NaCl solution, the pH of which is adjusted to 10 with NaOH. A switch is associated with these two electrodes (electrically interposed between the two electrodes). The switch allows the connection or disconnection of the electrodes. A load resistor, referenced Ri oad in FIG. 7, of 100 Ω is integrated in the circuit for measuring current using Ohm's law. FIG. 6 shows an extract of the signal measured in the load resistor Ri oad by opening and closing the switch at a frequency of 1 Hertz. The signal was recorded for ten days without editing or significant signal variation. The power recorded during these 10 days is constant and equal to 1μλ ¥. The resistance used is 100 Ω. The average current intensity is 0.1 mA.
Dans l'hypothèse (fausse) où des phénomènes usuels d'oxy do-réduction étaient en jeu, le résultat des mesures correspondrait à une consommation de 10"3 moles d'électrons ou de composant redox. Or, aucun des composants présents dans le système (platine, eau, sel, oxygène, carbone) ne peut jouer le rôle d'agent réducteur dans la plage du potentiel mesuré. In the (false) assumption that usual oxy-reduction phenomena were involved, the result of the measurements would correspond to a consumption of 10 -3 moles of electrons or redox component, but none of the components present in the system (platinum, water, salt, oxygen, carbon) can not act as a reducing agent in the range of the measured potential.
Après avoir subi le traitement ci-avant, une analyse minutieuse par microscope électronique en transmission (MET) de l'électrode de platine a été menée. Aucune dégradation de l'électrode de platine n' a été détectée. Il peut en être déduit qu' aucune consommation de l'électrode de platine n'est détectable. Le potentiel de l'électrode de platine est égal à 0,3 V / ESH (ESH pour « Électrode Standard d'Hydrogène »). Le potentiel de l'électrode de carbone est égal à 0,46 V / ESH. Le pH est égal à 10. After undergoing the above treatment, careful transmission electron microscopy (TEM) analysis of the platinum electrode was conducted. No degradation of the platinum electrode was detected. It can be deduced that no consumption of the platinum electrode is detectable. The potential of the platinum electrode is equal to 0.3 V / ESH (ESH for "Standard Hydrogen Electrode"). The potential of the carbon electrode is equal to 0.46 V / ESH. The pH is equal to 10.
Dans l'hypothèse (fausse) où les phénomènes en jeu seraient faradiques, ils ne pourraient donc résulter que d'impuretés (matières autre que le platine, l'eau, le sel, l'oxygène, et le carbone). Or, le volume de l'échantillon est de 100 ml, ce qui impliquerait que l'espèce inconnue (impureté) présente une concentration au moins égale à 10"2 moles / L. Les échantillons ont été préparés avec les précautions d'usage et les surfaces des électrodes ont été nettoyées. Il est donc hautement improbable qu'une impureté soit présente en si grande concentration. En outre, une telle impureté aurait manifestement été détectée. Par conséquent, l'hypothèse de phénomènes faradiques n'est pas vraisemblable. In the hypothesis (false) in which the phenomena involved would be faradic, they could only result in impurities (materials other than platinum, water, salt, oxygen, and carbon). However, the sample volume was 100 ml, which would imply that the species unknown (impurity) has a concentration of at least 10 "2 mol / L. The samples were prepared with the usual precautions and the surfaces of the electrodes have been cleaned, so it is highly unlikely that an impurity will be present in such a large concentration, and such an impurity would obviously have been detected, so the hypothesis of faradic phenomena is not likely.
La puissance récoltée dans les conditions précitées des expérimentations est faible et égale à environ 1μλ¥ par cm2. Pour augmenter la valeur de la puissance, des expérimentations supplémentaires ont été menées dans lesquelles l'électrode de platine est remplacée par une électrode en zinc (dont les caractéristiques sont par ailleurs analogues à celle de platine). Les deux électrodes (électrodes de zinc et de carbone) sont immergées dans une solution ionique aqueuse (NaCl 6,1 M, pH = 10 ajusté avec du NaOH). Un interrupteur est associé à ces deux électrodes permettant leur connexion ou déconnexion. Une résistance de charge Rioad de 10 Ω est intégrée dans le circuit pour mesurer le courant en utilisant la loi d' Ohm. La figure 8 affiche le signal mesuré dans la résistance de charge Rioad en ouvrant et fermant l'interrupteur à une
fréquence de 1 Hertz. La puissance enregistrée est sensiblement égale à 1 mW, ce qui correspond à une densité de puissance de 0,4 mW / cm2 ou 10 mW / cm3. Une telle valeur est supérieure de trois ordres de grandeur à celle enregistrée par les matériaux dits « électrostrictifs » et supérieure d'un ordre de grandeur aux meilleurs systèmes piézoélectriques connus des inventeurs. Les matériaux « électrostrictifs » sont des matériaux présentant des propriétés particulières d'électrostriction, c'est-à-dire présentant des modifications de forme importantes sous l'effet d'un champ électrique. The power harvested under the aforementioned conditions of the experiments is low and equal to approximately 1 μλ ¥ per cm 2 . To increase the value of the power, additional experiments have been carried out in which the platinum electrode is replaced by a zinc electrode (whose characteristics are otherwise similar to that of platinum). The two electrodes (zinc and carbon electrodes) are immersed in an aqueous ionic solution (6.1M NaCl, pH = 10 adjusted with NaOH). A switch is associated with these two electrodes for their connection or disconnection. A 10 Ω Ri oad load resistor is integrated in the circuit to measure current using Ohm's law. FIG. 8 shows the signal measured in the load resistance Ri oad by opening and closing the switch at a frequency of 1 Hertz. The recorded power is substantially equal to 1 mW, which corresponds to a power density of 0.4 mW / cm 2 or 10 mW / cm 3 . Such a value is three orders of magnitude greater than that recorded by the so-called "electrostrictive" materials and an order of magnitude greater than the best piezoelectric systems known to the inventors. "Electrostrictive" materials are materials having particular properties of electrostriction, that is to say having significant changes in shape under the effect of an electric field.
Comme pour les systèmes précités (à électrode de platine), il a été vérifié que l'intensité mesurée ne provenait pas de phénomènes faradiques. Ces derniers peuvent théoriquement se produire au niveau d'électrodes de zinc, le zinc pouvant être oxydé en Zn2+. Cependant, à pH égal à 10, le zinc est protégé des phénomènes d'oxy do-réduction par une couche d'oxyde peu perméable aux échanges chimiques. De tels phénomènes peuvent être lents. Pour vérifier l'absence de phénomènes faradiques, même lents, des expériences sur 30 heures ont été menées durant lesquelles la puissance est enregistrée. Pour ce faire une feuille de zinc de 0,7 grammes à été utilisée. Il a été mesuré et enregistré, dans une résistance de 100 Ω, une puissance constante de lmW ce qui correspond à une charge de 300C sur 30h. Dans l'hypothèse (fausse) où des phénomènes d'oxy do-réduction au niveau du zinc seraient responsables de cette charge, cela impliquerait une consommation de zinc égale à 0.1g. Or, après 30h, la masse de la feuille de zinc est inchangée (avec une précision de mesure strictement inférieure au dixième de gramme). Après séchage de la feuille de zinc, la masse de 0,7 gramme est restée inchangée. As for the aforementioned systems (with platinum electrode), it was verified that the measured intensity did not come from faradic phenomena. These can theoretically occur at zinc electrodes, zinc being oxidizable to Zn 2+ . However, at a pH of 10, zinc is protected from oxy-reduction phenomena by an oxide layer that is not very permeable to chemical exchanges. Such phenomena can be slow. To verify the absence of faradic phenomena, even slow, 30-hour experiments were conducted during which the power is recorded. To do this a zinc sheet of 0.7 grams has been used. It has been measured and recorded, in a resistance of 100 Ω, a constant power of lmW which corresponds to a load of 300C over 30h. In the (false) hypothesis where oxy-reduction phenomena at the zinc level would be responsible for this charge, this would imply a consumption of zinc equal to 0.1g. However, after 30h, the mass of the zinc sheet is unchanged (with a measurement accuracy strictly less than one-tenth of a gram). After drying the zinc sheet, the 0.7 gram mass remained unchanged.
L'électrode de zinc a ensuite été découpée. Une analyse minutieuse par microscope électronique en transmission (MET) de l'électrode de zinc a, à son tour, été menée. Une couche protectrice de zinc en surface est clairement visible. Aucune trace d'oxydation n'a été détectée (zones qui seraient apparues en noir) dans le corps de l'électrode. Aucune dégradation n'a été détectée. Les figures 9 et 10 sont des clichés réalisés à cette occasion. Le zinc n'est donc pas, non plus, attaqué par des phénomènes faradiques. D'après les inventeurs, la seule interprétation raisonnable est que l'énergie constatée ne vient pas des processus faradiques mais des processus capacitifs. Lorsque les deux électrodes ne sont pas connectées, elles présentent un potentiel mixte, soit deux potentiels différents l'un de l'autre. Ces potentiels dépendent de la nature du solvant et des électrodes. Lorsque elles sont électriquement connectées l'une à l'autre (via l'interrupteur en position fermée), certains électrons circulent du faible potentiel électrique au plus élevé, c'est-à-dire depuis le platine vers
le carbone ou depuis le zinc vers le carbone pour les deux exemples précités. Cela induit une désorption des contre-ions à la surface des électrodes. Lorsque les deux électrodes sont à nouveau déconnectées l'une de l'autre (par l'ouverture de l'interrupteur), les contre-ions retrouvent leur position précédente. L'ouverture de l'interrupteur consomme de l'énergie (mécanique). La relaxation de la tension est liée à la reconstruction de la double couche d'électrons et pourrait être lente. L'énergie récupérée provient vraisemblablement du travail fourni en ouvrant l'interrupteur et de la chaleur liée au processus d' adsorption-désorption des contre-ions sur les électrodes. L'énergie mesurée n'est donc pas issues de phénomènes faradiques. The zinc electrode was then cut. Careful transmission electron microscopy (TEM) analysis of the zinc electrode was, in turn, conducted. A protective layer of zinc on the surface is clearly visible. No trace of oxidation was detected (areas that appeared in black) in the body of the electrode. No degradation was detected. Figures 9 and 10 are clichés made on this occasion. Zinc is not, therefore, attacked by faradic phenomena. According to the inventors, the only reasonable interpretation is that the energy observed does not come from faradic processes but from capacitive processes. When the two electrodes are not connected, they have a mixed potential, ie two potentials different from each other. These potentials depend on the nature of the solvent and the electrodes. When they are electrically connected to each other (via the switch in the closed position), some electrons circulate from the low electric potential to the highest, that is to say from the platinum to carbon or from zinc to carbon for the two examples mentioned above. This induces desorption of the counter ions on the surface of the electrodes. When the two electrodes are again disconnected from each other (by the opening of the switch), the counter-ions return to their previous position. Opening the switch consumes (mechanical) energy. The relaxation of the voltage is related to the reconstruction of the double layer of electrons and could be slow. The recovered energy probably comes from the work provided by opening the switch and heat related to the adsorption-desorption process of the counter ions on the electrodes. The measured energy is therefore not derived from faradic phenomena.
L'invention ne se limite pas aux exemples de convertisseurs, de kits et de capteurs décrits ci- avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre de la protection recherchée.
The invention is not limited to the examples of converters, kits and sensors described above, only by way of example, but it encompasses all the variants that may be considered by those skilled in the art within the scope of the present invention. sought protection.
Claims
1. Convertisseur d'énergie (1) comprenant au moins une cellule électrochimique (3) et un organe (5) formant interrupteur, la cellule électrochimique (3) comprenant une enceinte (31), au moins deux électrodes (33 ; 35), chacune des électrodes (33 ; 35) étant disposée au moins en partie dans l'enceinte (31), et un électrolyte (37) contenu dans l'enceinte (31) entre les deux électrodes (33 ; 35), la composition et la structure de chacune des deux électrodes (33 ; 35) et de électrolyte (37) étant conjointement sélectionnées de sorte que : An energy converter (1) comprising at least one electrochemical cell (3) and a switch member (5), the electrochemical cell (3) comprising an enclosure (31), at least two electrodes (33; 35), each of the electrodes (33; 35) being disposed at least partly in the enclosure (31), and an electrolyte (37) contained in the enclosure (31) between the two electrodes (33; 35), the composition and the structure of each of the two electrodes (33; 35) and the electrolyte (37) being jointly selected so that:
- chacune des électrodes (33 ; 35) est chimiquement inerte dans électrolyte (37), et each of the electrodes (33; 35) is chemically inert in the electrolyte (37), and
- en l'absence de polarisation externe, les électrodes (33 ; 35) présentent l'une par rapport à autre une différence de potentiel non nulle, in the absence of external bias, the electrodes (33; 35) have a non-zero potential difference with respect to each other,
l'organe (5) formant interrupteur étant relié électriquement entre les deux électrodes (33 ; 35) de la cellule électrochimique (3), ledit organe (5) étant agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l'effet d'une énergie externe. the switch member (5) being electrically connected between the two electrodes (33; 35) of the electrochemical cell (3), said member (5) being arranged to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of external energy.
2. Convertisseur d'énergie (1) selon la revendication 1, dans lequel la composition et la structure de chacune des deux électrodes (33 ; 35) et la composition de l'électrolyte (37) sont en outre conjointement sélectionnées de sorte que les ions accumulés à proximité de chacune des deux électrodes (33 ; 35) sont de signes opposés. The energy converter (1) according to claim 1, wherein the composition and structure of each of the two electrodes (33; 35) and the composition of the electrolyte (37) are furthermore jointly selected so that the ions accumulated near each of the two electrodes (33; 35) are of opposite sign.
3. Convertisseur d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'une (35) au moins des électrodes (33 ; 35) comprend du métal. 3. Energy converter (1) according to one of the preceding claims wherein at least one (35) of the electrodes (33; 35) comprises metal.
4. Convertisseur d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'une (35) au moins des électrodes (33 ; 35) comprend du métal, la composition du métal et le pH de l'électrolyte (37) étant conjointement sélectionnés de sorte que ladite au moins une électrode (35) présente une couche externe de passivation. 4. Energy converter (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one (35) of the electrodes (33; 35) comprises metal, the composition of the metal and the pH of the electrolyte ( 37) being jointly selected so that said at least one electrode (35) has an outer passivation layer.
5. Convertisseur d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'une (33) au moins des électrodes (33 ; 35) comprend du carbone poreux. 5. Energy converter (1) according to one of the preceding claims wherein at least one (33) of the electrodes (33; 35) comprises porous carbon.
6. Convertisseur d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel6. Energy converter (1) according to one of the preceding claims wherein
- la première électrode (33) comprend du carbone (C) poreux, la seconde électrode (35) comprend du zinc (Zn), du magnésium (Mg) ou de l'aluminium (Al), et l'électrolyte (37) comprend une solution saline sous forme liquide ou de gel.
the first electrode comprises porous carbon, the second electrode comprises zinc, magnesium or aluminum and the electrolyte comprises saline solution in liquid form or gel.
7. Convertisseur d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la composition et la structure de chacune des deux électrodes (33 ; 35) et de l'électrolyte (37), et l'agencement mutuel des électrodes (33 ; 35) dans l'enceinte (31), sont conjointement sélectionnés de sorte que, en l'absence de polarisation externe, la charge capacitive entre les deux électrodes (33 ; 35) dans un régime stable est comprise entre 0,01 et 10 F.cnï2. 7. Energy converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the composition and the structure of each of the two electrodes (33; 35) and the electrolyte (37), and the mutual arrangement of the electrodes. (33; 35) in the enclosure (31), are jointly selected so that, in the absence of external bias, the capacitive load between the two electrodes (33; 35) in a stable regime is between 0.01 and F.cn1 2 .
8. Convertisseur d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre : 8. Energy converter (1) according to one of the preceding claims, further comprising:
- un circuit de commande relié électriquement aux deux électrodes (33 ; 35) de la cellule électrochimique (3) et incluant l'organe (5) formant interrupteur, et - a control circuit electrically connected to the two electrodes (33; 35) of the electrochemical cell (3) and including the member (5) forming a switch, and
- un dispositif de stockage d'énergie relié électriquement aux deux électrodes (33 ; 35) par l'intermédiaire du circuit de commande, an energy storage device electrically connected to the two electrodes (33; 35) via the control circuit,
le circuit de commande étant agencé de sorte que l'énergie capacitive de la cellule électrochimique (3) est convertie en énergie électrique alimentant le dispositif de stockage d'énergie lorsque l'organe (5) formant interrupteur est à l'état fermé. the control circuit being arranged so that the capacitive energy of the electrochemical cell (3) is converted into electrical energy supplying the energy storage device when the switch member (5) is in the closed state.
9. Convertisseur d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'organe (5) formant interrupteur comprend au moins un transistor. 9. Energy converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the member (5) forming a switch comprises at least one transistor.
10. Kit comprenant les éléments suivants : 10. Kit comprising the following elements:
- une cellule électrochimique (3) comprenant une enceinte (31), au moins deux électrodes (33 ; 35), chacune des électrodes (33 ; 35) étant disposée au moins en partie dans l'enceinte (31), et un électrolyte (37) contenu dans l'enceinte (31) entre les deux électrodes (33 ; 35), et an electrochemical cell (3) comprising an enclosure (31), at least two electrodes (33; 35), each of the electrodes (33; 35) being disposed at least partly in the enclosure (31), and an electrolyte ( 37) contained in the enclosure (31) between the two electrodes (33; 35), and
- un organe (5) formant interrupteur apte à être relié électriquement entre les deux électrodes (33 ; 35) de la cellule électrochimique (3), ledit organe (5) étant agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l'effet d'une énergie externe, la composition et la structure de chacune des deux électrodes (33 ; 35) et de l'électrolyte (37) étant conjointement sélectionnées de sorte que : - a member (5) forming a switch adapted to be electrically connected between the two electrodes (33; 35) of the electrochemical cell (3), said member (5) being arranged to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of an external energy, the composition and the structure of each of the two electrodes (33; 35) and the electrolyte (37) being jointly selected so that:
- chacune des électrodes (33 ; 35) est chimiquement inerte dans l'électrolyte (37), each of the electrodes (33; 35) is chemically inert in the electrolyte (37),
- en l'absence de polarisation externe, les électrodes (33 ; 35) présentent l'une par rapport à l'autre une différence de potentiel non nulle. in the absence of external bias, the electrodes (33; 35) have a non-zero potential difference with respect to each other.
11. Kit selon la revendication 10 comprenant en outre :
- un circuit de commande incluant l'organe (5) formant interrupteur et apte à être relié électriquement aux deux électrodes (33 ; 35) de la cellule électrochimique (3), le circuit de commande étant agencé de sorte que, une fois relié à la cellule électrochimique (3), l'énergie capacitive de la cellule électrochimique (3) est convertie en énergie électrique apte à alimenter un dispositif de stockage d'énergie lorsque l'organe (5) formant interrupteur est à un état fermé. Kit according to claim 10, further comprising: a control circuit including the switch member and able to be electrically connected to the two electrodes (33; 35) of the electrochemical cell (3), the control circuit being arranged so that, once connected to the electrochemical cell (3), the capacitive energy of the electrochemical cell (3) is converted into electrical energy capable of supplying an energy storage device when the member (5) forming a switch is in a closed state.
12. Capteur comprenant un convertisseur d'énergie selon l'une des revendications 1 à 9.
12. Sensor comprising a power converter according to one of claims 1 to 9.
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Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070182418A1 (en) * | 2005-08-03 | 2007-08-09 | Yvan Reynier | Electrochemical Thermodynamic Measurement System |
US20080213642A1 (en) * | 2007-02-21 | 2008-09-04 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Hydrogen generating apparatus and fuel cell power generation system controlling amount of hydrogen generation |
EP2058918A2 (en) * | 2007-11-08 | 2009-05-13 | Honeywell International Inc. | Hybrid power source |
DE102008006658A1 (en) * | 2008-01-30 | 2009-08-27 | Siegel, Rolf, Dr. Med. | Electro-chemical condenser has electrode, which consists of N-type carbon, particularly activated charcoal, glass carbon or graphite, where another electrode consists of compound base metal |
US20130052538A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-02-28 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | High rate, long cycle life electrochemical energy storage devices |
US20130257410A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | Donald S. Gardner | Low frequency converters having electrochemical capacitors |
US20140230679A1 (en) * | 2013-02-20 | 2014-08-21 | Orica International Pte Ltd. | Method and device |
US8816465B1 (en) * | 2013-02-22 | 2014-08-26 | Intel Corporation | Energy conversion and storage device and mobile electronic device containing same |
CN104064361A (en) * | 2013-03-20 | 2014-09-24 | 纳米新能源(唐山)有限责任公司 | Self-charging super capacitor |
-
2017
- 2017-04-12 FR FR1753184A patent/FR3065315A1/en not_active Ceased
-
2018
- 2018-04-12 WO PCT/FR2018/050928 patent/WO2018189491A1/en active Application Filing
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070182418A1 (en) * | 2005-08-03 | 2007-08-09 | Yvan Reynier | Electrochemical Thermodynamic Measurement System |
US20080213642A1 (en) * | 2007-02-21 | 2008-09-04 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Hydrogen generating apparatus and fuel cell power generation system controlling amount of hydrogen generation |
EP2058918A2 (en) * | 2007-11-08 | 2009-05-13 | Honeywell International Inc. | Hybrid power source |
DE102008006658A1 (en) * | 2008-01-30 | 2009-08-27 | Siegel, Rolf, Dr. Med. | Electro-chemical condenser has electrode, which consists of N-type carbon, particularly activated charcoal, glass carbon or graphite, where another electrode consists of compound base metal |
US20130052538A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-02-28 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | High rate, long cycle life electrochemical energy storage devices |
US20130257410A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | Donald S. Gardner | Low frequency converters having electrochemical capacitors |
US20140230679A1 (en) * | 2013-02-20 | 2014-08-21 | Orica International Pte Ltd. | Method and device |
US8816465B1 (en) * | 2013-02-22 | 2014-08-26 | Intel Corporation | Energy conversion and storage device and mobile electronic device containing same |
CN104064361A (en) * | 2013-03-20 | 2014-09-24 | 纳米新能源(唐山)有限责任公司 | Self-charging super capacitor |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
JONG KYUN MOON ET AL: "Electrical power generation by mechanically modulating electrical double layers", NATURE COMMUNICATIONS, vol. 4, 12 February 2013 (2013-02-12), United Kingdom, pages 1487, XP055437483, ISSN: 2041-1723, DOI: 10.1038/ncomms2485 * |
PAK; AL: "Electrical power génération by mechanically modulating electrical double layers", NATURE COMMUNICATION, 2013 |
S. ROUNDY; P. K. WRIGHT: "A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics", 2004, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, pages: 1131 - 1142 |
SALITRA, G.; SOFFER, A.; ELIAD, L.; COHEN, Y.; AURBACH, D.: "Carbon electrodes for double-layer capacitors. I. ''Relations between ion and pore dimensions''", J. ELECTROCHEM. SOC., vol. 147, 2000, pages 2486 - 2493 |
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Publication number | Publication date |
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