Cette source d'énergie sucrée génère environ 43 microwatts d'électricité par centimètre carré, atteignant ainsi la densité de puissance la plus élevée de toutes les piles à combustible au glucose à ce jour dans des conditions ambiantes.

Ce nouveau dispositif est également durable et peut résister à des températures allant jusqu'à 600 degrés Celsius. Intégrée à un implant médical, la pile à combustible pourrait rester stable lors du processus de stérilisation à haute température requis pour tous les dispositifs implantables.

Le cœur de ce nouveau dispositif est composé de céramique, un matériau qui conserve ses propriétés électrochimiques même à haute température et à l'échelle nanométrique. Les chercheurs envisagent de le transformer en films ou revêtements ultra-minces et de les appliquer sur des implants pour alimenter passivement les composants électroniques, en utilisant les abondantes réserves de glucose du corps.

« Le glucose est présent dans tout l'organisme, et l'idée est de capter cette énergie facilement disponible et de l'utiliser pour alimenter des dispositifs implantables », explique Philipp Simons, qui a développé ce dispositif dans le cadre de sa thèse de doctorat au Département de science et génie des matériaux (DMSE) du MIT. « Nos travaux mettent en évidence une électrochimie inédite des piles à combustible au glucose. ».

« Au lieu d'utiliser une batterie, qui peut occuper jusqu'à 90 % du volume d'un implant, on pourrait fabriquer un dispositif avec un film mince, et on aurait une source d'énergie sans encombrement volumétrique », explique Jennifer LM Rupp, directrice de thèse de Simons et professeure invitée au DMSE, qui est également professeure associée de chimie des électrolytes à l'état solide à l'Université technique de Munich (Allemagne).

Simons et ses collègues présentent aujourd'hui leur conception dans la revue Advanced Materials. Parmi les co-auteurs de l'étude figurent Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel et Lorenz Olbrich.

Une séparation « difficile »

L'idée de cette nouvelle pile à combustible est née en 2016, lorsque Rupp, spécialiste des céramiques et des dispositifs électrochimiques, s'est rendue à un test de glycémie de routine vers la fin de sa grossesse.

« Chez le médecin, je m'ennuyais ferme avec l'électrochimie et je me demandais ce qu'on pourrait faire avec le sucre et l'électrochimie », se souvient Rupp. « Puis j'ai réalisé qu'il serait formidable d'avoir un dispositif à semi-conducteurs alimenté par le glucose. Alors Philipp et moi avons pris un café ensemble et avons fait les premiers croquis sur une serviette. ».

Cette équipe n'est pas la première à avoir conçu une pile à combustible au glucose. Apparue dans les années 1960, cette technologie a démontré son potentiel pour convertir l'énergie chimique du glucose en énergie électrique. Cependant, les piles à combustible au glucose de l'époque étaient basées sur des polymères souples et ont rapidement été supplantées par les batteries lithium-iodure, qui allaient devenir la source d'énergie standard pour les implants médicaux, notamment les stimulateurs cardiaques.

Cependant, les batteries ont une limite de taille, car leur conception exige une capacité physique pour stocker l'énergie.

« Les piles à combustible convertissent directement l'énergie au lieu de la stocker dans un appareil, vous n'avez donc pas besoin de tout le volume nécessaire au stockage de l'énergie dans une batterie », explique Rupp.

Ces dernières années, les scientifiques se sont remis à étudier les piles à combustible au glucose comme sources d'énergie potentiellement plus petites, alimentées directement par le glucose abondant dans le corps.

La conception de base d'une pile à combustible au glucose repose sur trois couches : une anode supérieure, un électrolyte intermédiaire et une cathode inférieure. L'anode réagit avec le glucose présent dans les fluides corporels, transformant ce sucre en acide gluconique. Cette conversion électrochimique libère une paire de protons et une paire d'électrons. L'électrolyte intermédiaire sépare les protons des électrons et conduit les protons à travers la pile, où ils se combinent à l'air pour former des molécules d'eau, un sous-produit inoffensif qui est éliminé par les fluides corporels. Simultanément, les électrons isolés circulent vers un circuit externe, où ils peuvent alimenter un appareil électronique.

L'équipe a cherché à améliorer les matériaux et les conceptions existants en modifiant la couche électrolytique, généralement composée de polymères. Cependant, les propriétés des polymères, notamment leur conductivité protonique, se dégradent facilement à haute température, sont difficiles à préserver à l'échelle nanométrique et leur stérilisation est complexe. Les chercheurs se sont alors demandé si une céramique – un matériau résistant à la chaleur et naturellement conducteur de protons – pourrait servir d'électrolyte pour les piles à combustible au glucose.

« Pour une pile à combustible de ce type, les céramiques présentent l’avantage d’une stabilité à long terme, d’une miniaturisation aisée et d’une intégration sur puce de silicium », souligne Rupp. « Elles sont robustes et résistantes. ».

Puissance maximale

Les chercheurs ont conçu une pile à combustible au glucose avec un électrolyte en cérium, un matériau céramique présentant une conductivité ionique élevée, une grande robustesse mécanique et, de ce fait, largement utilisé comme électrolyte dans les piles à combustible à hydrogène. Sa biocompatibilité a également été démontrée.

« Le cérium fait l'objet d'études approfondies au sein de la communauté de recherche sur le cancer », souligne Simons. « Il est également similaire à la zircone, utilisée dans les implants dentaires, et est biocompatible et sûr. ».

L'équipe a utilisé une anode et une cathode en platine, matériau stable réagissant facilement avec le glucose, pour constituer l'électrolyte. Ils ont fabriqué 150 piles à combustible au glucose individuelles sur une puce, chacune mesurant environ 400 nanomètres d'épaisseur et 300 micromètres de largeur (soit l'épaisseur d'une trentaine de cheveux). Ces piles ont été déposées sur des plaquettes de silicium, démontrant ainsi la possibilité d'utiliser un matériau semi-conducteur courant. Ils ont ensuite mesuré le courant produit par chaque pile en faisant circuler une solution de glucose sur chaque plaquette dans un banc d'essai conçu sur mesure.

Ils ont découvert que de nombreuses cellules produisaient une tension de crête d'environ 80 millivolts. Compte tenu de la taille minuscule de chaque cellule, cette valeur représente la densité de puissance la plus élevée de toutes les piles à combustible au glucose existantes.

« C’est formidable de pouvoir générer suffisamment d’énergie et de courant pour alimenter des dispositifs implantables », déclare Simons.

« C’est la première fois que la conduction protonique dans les matériaux électrocéramiques peut être utilisée pour convertir le glucose en énergie, définissant ainsi un nouveau type d’électrochimie », explique Rupp. « Cela élargit les applications des matériaux, des piles à combustible à hydrogène à de nouveaux modes prometteurs de conversion du glucose. ».

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Article rédigé par Jennifer Chu, du service de presse du MIT