Annie Weathers mesure les performances de la batterie d'une nanobatterie à hydrogène modelée sur une plaquette de silicium. Crédit :Nicole Fandel
À l'intérieur des téléphones portables modernes se trouvent des milliards de commutateurs nanométriques qui s'allument et s'éteignent, permettant au téléphone de fonctionner. Ces commutateurs, appelés transistors, sont commandés par un signal électrique délivré par une seule batterie. Cette configuration d'une batterie pour alimenter plusieurs composants fonctionne bien pour les technologies d'aujourd'hui, mais il y a place à amélioration. Chaque fois qu'un signal est acheminé de la batterie à un composant, une certaine puissance est perdue pendant le voyage. Couplage de chaque composant avec sa propre batterie serait une bien meilleure configuration, minimisant les pertes d'énergie et maximisant la durée de vie de la batterie. Cependant, dans le monde technologique actuel, les piles ne sont pas assez petites pour permettre cet arrangement, du moins pas encore.
Maintenant, Le laboratoire MIT Lincoln et le département des sciences et de l'ingénierie des matériaux du MIT ont fait des progrès dans le développement de batteries à hydrogène à l'échelle nanométrique qui utilisent la technologie de séparation de l'eau. Avec ces piles, les chercheurs visent à fournir une charge plus rapide, Longue vie, et moins d'énergie gaspillée. En outre, les batteries sont relativement faciles à fabriquer à température ambiante et s'adaptent physiquement aux besoins structurels uniques.
"Les piles sont l'un des plus gros problèmes que nous rencontrons au Laboratoire, " dit Raoul Ouedraogo, qui fait partie du groupe Advanced Sensors and Techniques du Lincoln Laboratory et est le chercheur principal du projet. « Il existe un intérêt considérable pour les capteurs hautement miniaturisés allant jusqu'à la taille d'un cheveu humain. Nous pourrions fabriquer ces types de capteurs, mais bonne chance pour trouver une batterie aussi petite. Les batteries actuelles peuvent être rondes comme des piles boutons, en forme de tube, ou mince mais sur une échelle centimétrique. Si nous avons la capacité de poser nos propres batteries dans n'importe quelle forme ou géométrie et à moindre coût, cela ouvre les portes à un grand nombre d'applications."
La batterie se recharge en interagissant avec les molécules d'eau présentes dans l'air ambiant. Lorsqu'une molécule d'eau entre en contact avec le réactif, section métallique extérieure de la batterie, il est divisé en ses éléments constitutifs :une molécule d'oxygène et deux d'hydrogène. Les molécules d'hydrogène sont piégées à l'intérieur de la batterie et peuvent être stockées jusqu'à ce qu'elles soient prêtes à être utilisées. Dans cet état, la batterie est "chargée". Pour libérer la charge, la réaction s'inverse. Les molécules d'hydrogène remontent à travers la section métallique réactive de la batterie et se combinent avec l'oxygène de l'air ambiant.
Cette animation montre le mécanisme de séparation de l'eau à l'œuvre à l'intérieur des batteries nanométriques de l'équipe de recherche. Crédit :Bryan Mastergeorge
Jusque là, les chercheurs ont construit des batteries de 50 nanomètres d'épaisseur, plus fines qu'un cheveu humain. Ils ont également démontré que la surface des batteries peut être réduite de quelques centimètres à quelques nanomètres. Cette capacité de mise à l'échelle permet aux batteries d'être facilement intégrées à proximité de transistors à un niveau nano et micro, ou à proximité de composants et de capteurs au niveau millimétrique et centimétrique.
"Une caractéristique utile de cette technologie est que les couches d'oxyde et de métal peuvent être modelées très facilement dans des géométries personnalisées à l'échelle nanométrique, ce qui permet de créer facilement des modèles de batterie complexes pour une application particulière ou de les déposer sur des substrats flexibles, " dit Annie Weathers, un membre du personnel de la Chimie du laboratoire, Microsystème, et le groupe des technologies à l'échelle nanométrique, qui est également impliqué dans le projet.
Les batteries ont également démontré une densité de puissance supérieure de deux ordres de grandeur à la plupart des batteries actuellement utilisées. Une densité de puissance plus élevée signifie plus de puissance de sortie par volume de la batterie.
"Ce que je pense a fait que ce projet fonctionne, c'est le fait qu'aucun d'entre nous ne soit des gens de la batterie, " dit Ouedraogo. " Parfois, il faut quelqu'un de l'extérieur pour voir de nouvelles choses. "
Actuellement, les techniques de fractionnement de l'eau sont utilisées pour générer de l'hydrogène pour les besoins industriels à grande échelle. Ce projet sera le premier à appliquer la technique de création de batteries, et à des échelles beaucoup plus petites.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
