Prototype de la batterie flexible. (Photo :ETH Zurich / Peter Rüegg)
L'équipe de chercheurs de Markus Niederberger à l'ETH a utilisé des matériaux extensibles pour développer une batterie qui peut être pliée, étiré et tordu. Pour les applications dans les appareils électroniques pliables, c'est précisément le type de batterie dont ils ont besoin.
L'industrie électronique d'aujourd'hui se concentre de plus en plus sur les ordinateurs ou les smartphones avec des écrans qui peuvent être pliés ou enroulés. Les vêtements intelligents utilisent des micro-dispositifs ou des capteurs portables pour surveiller les fonctions corporelles, par exemple. Cependant, tous ces appareils ont besoin d'une source d'énergie, qui est généralement une batterie lithium-ion. Malheureusement, les batteries commerciales sont généralement lourdes et rigides, ce qui le rend fondamentalement inadapté aux applications dans l'électronique flexible ou les textiles.
Un remède à ce problème est maintenant créé par Markus Niederberger, Professeur de matériaux multifonctionnels à l'ETH Zurich, et son équipe. Les chercheurs ont développé un prototype pour une batterie à couche mince flexible qui peut être pliée, étiré et même tordu sans interrompre l'alimentation électrique.
Ce qui rend cette nouvelle batterie spéciale, c'est son électrolyte, cette partie de la batterie à travers laquelle les ions lithium se déplacent lorsque la batterie est chargée ou déchargée. Cet électrolyte a été découvert par le doctorant de l'ETH Xi Chen, auteur principal de l'étude récemment publiée dans la revue scientifique Matériaux avancés .
Utilisation systématique de composants pliables
Suite à la conception de batteries commerciales, ce nouveau type de batterie est construit en couches comme un sandwich. Cependant, c'est la première fois que des chercheurs utilisent des composants flexibles pour garder l'ensemble de la batterie pliable et extensible. "À ce jour, personne n'a utilisé exclusivement des composants flexibles aussi systématiquement que nous l'avons fait pour créer une batterie lithium-ion, " dit Niederberger.
Les deux collecteurs de courant pour l'anode et la cathode sont constitués d'un composite polymère pliable qui contient du carbone électriquement conducteur et qui sert également d'enveloppe extérieure. Sur la surface intérieure du composite, les chercheurs ont appliqué une fine couche de paillettes d'argent micronisées. En raison de la façon dont les flocons se chevauchent comme des tuiles, ils ne perdent pas le contact entre eux lorsque l'élastomère est étiré. Cela garantit la conductivité du collecteur de courant même s'il est soumis à un étirement important. Et dans le cas où les paillettes d'argent perdraient effectivement contact les unes avec les autres, le courant électrique peut encore circuler à travers le composite carboné, quoique plus faiblement.
A l'aide d'un masque, les chercheurs ont ensuite pulvérisé de la poudre d'anode et de cathode sur une zone précisément définie de la couche d'argent. La cathode est composée d'oxyde de lithium manganèse et l'anode est un oxyde de vanadium.
La batterie peut être tordue, étiré et plié sans couper l'alimentation électrique. (Photographies :Groupe Niederberger, EPF Zurich)
Gel électrolyte à base d'eau
Dans la dernière étape, les scientifiques ont empilé les deux collecteurs de courant avec les électrodes appliquées l'une sur l'autre, séparés par une couche barrière semblable à un cadre photo, tandis que l'espace dans le cadre était rempli de gel électrolytique.
Niederberger souligne que ce gel est plus respectueux de l'environnement que les électrolytes commerciaux :« L'électrolyte liquide dans les batteries d'aujourd'hui est inflammable et toxique. En revanche, le gel électrolyte que son doctorant Chen a développé contient de l'eau à forte concentration en sel de lithium, qui non seulement facilite la circulation des ions lithium entre la cathode et l'anode pendant la charge ou la décharge de la batterie, mais garde également l'eau de la décomposition électrochimique.
Les scientifiques ont joint les différentes parties de leur prototype avec de l'adhésif. « Si nous voulons commercialiser la batterie, nous devrons trouver un autre processus qui le maintiendra hermétiquement fermé plus longtemps, " dit Niederberger.
La batterie est construite en sandwich à partir d'une variété de matériaux flexibles. (Graphique :Groupe Niederberger, EPF Zurich)
De nombreuses applications potentielles
De plus en plus d'applications pour une batterie comme celle-ci voient le jour chaque jour. Des fabricants bien connus de téléphones portables rivalisent pour produire des appareils avec des écrans pliables. D'autres possibilités incluent des écrans enroulables pour ordinateurs, montres connectées et tablettes, ou des textiles fonctionnels qui contiennent des composants électroniques pliables, et tous nécessitent une alimentation électrique flexible. "Par exemple, vous pourriez coudre notre batterie directement dans les vêtements, " dit Niederberger. Ce qui est important, c'est en cas de fuite de la batterie, pour s'assurer que les liquides qui sortent ne causent aucun dommage. C'est là que l'électrolyte de l'équipe offre un avantage considérable.
Cependant, Niederberger souligne que davantage de recherches sont nécessaires pour optimiser la batterie flexible avant d'envisager de la commercialiser. Par dessus tout, l'équipe doit augmenter la quantité de matériau d'électrode qu'elle peut contenir. Un nouveau doctorant a récemment commencé à affiner l'alimentation extensible. L'inventeur du prototype initial, Xi Chen, est retourné dans son pays natal, la Chine, après avoir terminé sa thèse de doctorat pour occuper un nouvel emploi, en tant que consultant pour l'industrie des batteries.
