Ion-driven hydrogel-based portable electric-generators and self-powered pressure sensors.

Pan, Xiaofeng (2025). Ion-driven hydrogel-based portable electric-generators and self-powered pressure sensors. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 156 p.

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Résumé

Pour favoriser une interaction homme–machine efficace, les capteurs de pression portables suscitent un vif intérêt en raison de leurs performances remarquables. Grâce à leur souplesse, leur biocompatibilité et leurs propriétés modulables, les hydrogels sont particulièrement adaptés à ces applications. Les capteurs traditionnels dépendent d’une source d’alimentation externe, tandis que les dispositifs auto-alimentés basés sur des nanogénérateurs triboélectriques (TENGs) ou piézoélectriques (PENGs) produisent un courant alternatif (AC), qui nécessite un redressement, ce qui complique le système. Ainsi, le développement de générateurs à courant continu (DC) à base d’hydrogel et de capteurs de pression auto-alimentés revêt une grande importance.

Dans le premier projet, un générateur à polyelectrolyte a été conçu en utilisant un hydrogel de poly (acide acrylique) (PAA). Le PAA, en tant que polyelectrolyte typique, contient des groupes négatifs fixes (–COO⁻) et des protons mobiles (H⁺). Lors d'une compression, une différence locale de concentration ionique induit une migration directionnelle des protons, générant un signal DC mesurable dans le circuit externe. Sous environ 50 % de déformation, l’appareil a produit une tension d’environ 6 mV. Il a montré une grande stabilité sous contrainte prolongée (plus de 1000 secondes), avec une bonne résilience. Ce dispositif a démontré son potentiel pour détecter des positions ou des sons sans alimentation externe. Ce principe peut également être appliqué à d’autres hydrogels polyelectrolytes.

Le deuxième projet visait à augmenter la tension de sortie en créant un gradient ionique interne. Le générateur à hydrogel en double couche est composé de deux couches fonctionnelles : l’une est un hydrogel de polyalcool vinylique (PVA) contenant un polyelectrolyte anionique (lignosulfonate de sodium, LS) ou cationique (chitosane quaternisé, QC), l’autre est un hydrogel de PVA pur. Cette structure à gradient a permis à un seul dispositif d’atteindre une tension maximale d’environ 130 mV. En connectant dix unités en série, la sortie totale est montée à environ 1,3 V, suffisante pour alimenter de petits appareils électroniques comme une calculatrice. L’appareil peut aussi servir de capteur de pression auto-alimenté, sensible aux forces externes sans besoin d’une source d’énergie.

Le troisième projet a introduit un générateur hybride papier–hydrogel. Il associe un papier filtre recouvert d’argent comme électrode inférieure et une couche d’hydrogel de polyacrylamide (PAM). Le papier poreux facilite la génération et le transport des ions, tandis que la couche d’argent réagit à l’humidité pour renforcer la production d’électricité. Ce système a généré jusqu’à 0,6 V et a démontré une excellente stabilité à long terme. Avec l’ajout de glycérine pour conserver l’humidité, l’appareil a fonctionné de manière stable pendant plus de 1000 heures. Son design modulaire permet une mise à l’échelle facile : dix unités en série peuvent atteindre jusqu’à 6 V, ce qui le rend adapté à l’alimentation d’appareils plus puissants ou au stockage d’énergie. En plus de la production électrique, il fonctionne aussi comme un capteur de pression souple et fiable.

En résumé, les stratégies proposées et les dispositifs à hydrogel ioniques développés dans ce travail ont montré une nette amélioration de la sortie en courant continu, et offrent un réel potentiel pour l’alimentation de petits appareils électroniques ainsi que pour la détection auto-alimentée. Ces travaux ouvrent la voie à des générateurs et capteurs à hydrogel plus efficaces, durables et potentiellement commercialisables.


To support efficient human–machine interaction, wearable pressure sensors have gained significant attention for their outstanding performance. Thanks to their softness, biocompatibility, and tunable properties, hydrogels are well-suited for such applications. Traditional sensors rely on external power, while self-powered designs based on triboelectric nanogenerators (TENGs) or piezoelectric nanogenerators (PENGs) produce alternating current (AC) that requires rectification, adding complexity to the system. Therefore, developing hydrogel-based direct current (DC) generators and self-powered pressure sensors is of great importance.

In the first project, a polyelectrolyte generator was developed using poly (acrylic acid) (PAA) hydrogel. As a typical polyelectrolyte, PAA contains fixed negative groups (–COO⁻) backbone and mobile protons (H⁺). Under compression, a difference in local ion concentration drives directional proton migration, producing a measurable DC signal in the external circuit. At around 50% compressive strain, the device generated an output of ~6 mV. It remained stable under prolonged loading (over 1000 seconds), showing excellent resilience and reliability. Demonstrations showed its potential for self-powered position and sound sensing. This mechanism can also be extended to other polyelectrolyte hydrogel systems.

The second project aimed to boost voltage output by building an internal ion gradient. The bilayer hydrogel generator consists of two functional hydrogel layers: one is a polyvinyl alcohol (PVA) hydrogel incorporating either an anionic polyelectrolyte (lignosulfonate sodium, LS) or a cationic polyelectrolyte (quaternary chitosan, QC), and the other is a pure PVA hydrogel layer. This gradient-driven structure enabled a single device to reach a maximum output of ~130 mV. When ten units were connected in series, the total output rose to ~1.3 V, enough to power small commercial electronics like calculators. The device also functioned as a self-powered pressure sensor, responding to external pressure without the need for an external power source.

The third project introduced a paper–hydrogel hybrid generator. It combined a silver-coated filter paper as the bottom electrode with a layer of polyacrylamide (PAM) hydrogel. The porous paper facilitated ion generation and transport, while the silver coating reacted with moisture to enhance the output. This setup produced voltages up to 0.6 V and showed excellent long-term performance. With added glycerol to retain moisture, the device operated stably for over 1000 hours. Its modular design allowed easy scaling—ten units in series delivered up to 6 V—making it suitable for powering larger devices or charging energy storage units. Besides power generation, the device also served as a flexible and reliable pressure sensor.

In summary, the strategies proposed and the ion-driven hydrogel devices developed in this work exhibit significant improvements in DC output and demonstrate potential for powering small electronics and enabling self-powered sensing. This work may offer a promising foundation for advancing efficient, sustainable, and potentially commercializable hydrogel-based DC generators and sensors.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Vetrone, Fiorenzo
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Rosei, Federico
Mots-clés libres:	Capteur de pression portatif et souple ; détection de pression auto-alimentée ; générateur électrique ; hydrogels ; gradient de polyelectrolyte ; gradient ionique ; papier filtre ; lignosulfonate de sodium (LS) ; chitosane quaternaire (QC) ; Wearable pressure sensor ; self-powered pressure sensing ; electric generator ; hydrogels ; polyelectrolyte-gradient ; ion-gradient ; filter paper ; lignosulfonate sodium (LS) ; quaternary chitosan (QC)
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	08 juill. 2026 15:39
Dernière modification:	08 juill. 2026 15:39
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17348

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