Les batteries peuvent sembler se présenter sous toutes les formes et toutes les tailles que vous pouvez imaginer. Mais à mesure que les appareils électroniques deviennent plus petits et plus minces sans réduire leurs besoins en énergie et en énergie, ils mettent les ingénieurs au défi de concevoir des batteries qui peuvent s'adapter à des espaces de plus en plus petits sans compromettre les performances. Des chercheurs aux États-Unis ont utilisé des techniques non traditionnelles pour concevoir une solution possible - une puissante batterie lithium-ion 3D avec une empreinte de l'ordre d'une centaine de grains de sel. Leur travail paraît le 3 mai dans la revue Joule .

"Pour les petits capteurs, vous devez reconcevoir la batterie pour qu'elle ressemble à un gratte-ciel à New York au lieu d'un ranch en Californie, " dit l'auteur principal Bruce Dunn, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Californie, Los Angeles (UCLA). "C'est ce que fait une batterie 3D, et nous pouvons utiliser le traitement des semi-conducteurs et un électrolyte conforme pour en faire un qui soit compatible avec les exigences des petits appareils connectés à Internet."

Même les batteries bidimensionnelles les plus innovantes sont limitées dans les formes qu'elles peuvent prendre - la batterie de base prend une tranche d'anode et une tranche de cathode et emballe un électrolyte conducteur d'ions entre les deux pour compléter le circuit. D'autre part, il existe en principe d'innombrables façons de fabriquer une anode 3D et une cathode 3D qui s'emboîtent comme des pièces de puzzle (toujours nécessairement séparées par une petite quantité d'électrolyte). La configuration choisie par le groupe de Dunn est appelée une conception à "tube concentrique", où un réseau de montants d'anode régulièrement espacés est recouvert uniformément d'une fine couche d'un électrolyte polymère photo-modelable et la région entre les montants est remplie du matériau de cathode.

Malgré cette apparente simplicité, de nombreux chercheurs n'ont pu construire que la moitié d'une batterie 3D, créer des anodes et cathodes stables par elles-mêmes, mais échouent en essayant d'assembler ces électrodes en une seule batterie fonctionnelle. Pendant ce temps, presque toutes les batteries 3D qui ont été assemblées n'ont pas été nettement meilleures que les versions bidimensionnelles ordinaires. Dunn et les chercheurs postdoctoraux, Janet Hur et Leland Smith, a surmonté ces obstacles en prenant des méthodes normalement utilisées pour fabriquer des semi-conducteurs et en les modifiant pour sculpter le silicium en une grille de cylindres espacés avec précision qu'ils voulaient pour l'anode. "C'est quelque chose que le monde de la batterie ne fait tout simplement pas, " dit Dunn.

Pour compléter la batterie, ils ont appliqué de fines couches d'électrolyte sur la structure en silicium et ont coulé dans un matériau cathodique lithium-ion standard, en utilisant l'anode comme moule pour s'assurer que les deux moitiés s'emboîtent parfaitement. La batterie résultante a atteint une densité d'énergie de 5,2 milliwattheures par centimètre carré, parmi les plus élevées signalées pour une batterie 3D, tout en occupant une minuscule empreinte de 0,09 centimètre carré et en résistant à 100 cycles de charge et de décharge.

Dunn prévient que cette batterie 3D particulière n'a pas encore atteint son plein potentiel, car il espère que lui et son équipe pourront augmenter sa densité énergétique avec un réglage plus poussé des composants et de l'assemblage de la batterie. "Un autre défi avec les batteries est toujours l'emballage, " ajoute-t-il. " Vous devez les sceller, garde-les petits, et assurez-vous qu'ils fonctionnent aussi bien dans le monde réel que dans la boîte à gants."