(Phys.org) —En pliant une batterie Li-ion à base de papier dans un motif Miura-ori (similaire à la façon dont certaines cartes sont pliées), les scientifiques ont montré que la batterie présentait une augmentation de 14 fois de la densité d'énergie et de la capacité en raison de sa plus petite empreinte. Les batteries à base de papier sont déjà attrayantes en raison de leur faible coût, méthodes de fabrication rouleau à rouleau, et flexibilité. Les avantages de les plier en plus petites tailles s'ajoutent à ces caractéristiques et pourraient conduire à des batteries hautes performances pour diverses applications.

Les chercheurs, Qian Cheng, et al., de l'Université d'État de l'Arizona, ont publié un article sur le pliage des batteries Li-ion à base de papier dans un récent numéro de Lettres nano .

"Les piles pliables peuvent être utiles pour alimenter des appareils qui ont un espace limité à bord, " co-auteur Candace Chan, Professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Arizona State University, Raconté Phys.org . "En outre, avec le développement de l'électronique pliable à base de papier démontré par d'autres groupes de recherche récemment, une batterie qui peut également être pliée peut devenir importante pour l'intégration de la source d'alimentation et d'autres composants en un seul, appareil entièrement pliable."

Dans l'étude actuelle, les scientifiques ont utilisé des batteries Li-ion à base d'encre à nanotubes de carbone (CNT) comme collecteurs de courant; des poudres conventionnelles à base de lithium comme électrodes; et mince, Kimwipes poreux ^MT que les substrats en papier. Les chercheurs ont également ajouté un revêtement de difluorure de polyvinylidène (PVDF) pour améliorer l'adhérence de l'encre CNT aux substrats en papier. Les batteries finales ont montré une bonne conductivité et, après une perte de capacité irréversible après le premier cycle, une capacité relativement stable.

Les chercheurs ont expérimenté le pliage simple des papiers en deux et le modèle de pliage Miura-ori plus compliqué. En utilisant le simple modèle de pliage en deux, les chercheurs ont découvert que l'un, deux, et trois fois entraîne une augmentation de la densité et de la capacité d'énergie surfacique de 1,9, 4.7, et 10,6 fois par rapport à une batterie planaire. Le motif Miura-ori pourrait plier le papier encore plus efficacement :plier une batterie de 6 cm x 7 cm en une pile de 25 couches augmente la densité d'énergie et la capacité de 14 fois et donne une surface totale de seulement 1,68 cm ² .

« Nous avons utilisé la densité « aréale » pour montrer que la densité d'énergie par surface d'empreinte est augmentée, " expliqua Chan. " Ceci est différent de la densité d'énergie gravimétrique, puisque la quantité de masse dans les batteries ne change pas lorsqu'il est plié et déplié. Donc, dire la densité « aréale » permet de voir plus clairement à quelle densité nous nous référons. »

Globalement, les batteries pliées selon le modèle simple maintenaient une performance électrochimique similaire à celle des batteries planaires. Les rendements coulombiens des batteries repliées étaient encore plus élevés que ceux des batteries dépliées, ce qui peut être dû à un meilleur contact entre les matériaux des électrodes et les NTC après pliage. L'imagerie SEM a montré une certaine délamination de la couche de CNT au sommet correspondant à l'intersection de deux plis perpendiculaires; cependant, aucune autre délamination ou fissuration n'a été observée loin de l'intersection.

Les batteries pliées selon le modèle Miura-ori avaient des performances légèrement réduites par rapport aux batteries planaires, y compris une capacité de décharge et une capacité spécifique inférieures. Les chercheurs pensent que ces pertes peuvent être dues à un délaminage aux intersections de plis perpendiculaires, puisque ces batteries contiennent 16 sommets. Pour éviter les courts-circuits sur les batteries, les chercheurs ont utilisé un film mince isolant flexible, Parylène-C, entre les couches.

Les résultats offrent un premier aperçu du potentiel de l'utilisation du pliage pour augmenter la densité d'énergie surfacique et la capacité des batteries Li-ion. À l'avenir, avancées dans les algorithmes de pliage géométrique, outils de calcul, et la manipulation par robot pourrait conduire à des modèles de pliage plus complexes et permettre aux batteries d'être fabriquées à grande échelle pour des applications commerciales.

« Il existe des possibilités infinies pour utiliser les concepts de pliage et d'origami pour donner de nouvelles formes, conception géométrique, et de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs de stockage d'énergie sur papier impossibles auparavant, " dit Chan.

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