Système LED flexible tout-en-un intégré à une batterie Li-ion pliable sur un substrat en plastique flexible. Crédit image :Koo, et al. ©2012 Société chimique américaine
(Phys.org) -- En connectant un nouveau flexible, batterie Li-ion à couche mince à une LED organique flexible, une équipe de chercheurs de Corée du Sud a fait la démonstration du premier système électronique entièrement flexible et entièrement fonctionnel. En d'autres termes, ils ont montré l'intégration totale d'un écran flexible et d'une batterie sur un seul substrat en plastique sans l'aide d'électronique en vrac. La réalisation repose sur une nouvelle méthode de fabrication qui permet aux batteries flexibles de fonctionner avec une variété de matériaux d'électrode, surmonter les limitations précédentes des électrodes.
Les chercheurs, du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) à Daejeon, Corée du Sud, ont publié leur étude sur la nouvelle batterie Li-ion pliable dans un récent numéro de Lettres nano .
Bien que plusieurs autres batteries Li-ion flexibles aient déjà été développées, aucun n'a atteint une performance de stabilité de fonctionnement suffisante pour être appliqué aux produits commerciaux, tels que les écrans enroulables et autres appareils électroniques grand public flexibles. La raison en est que les électrodes de ces batteries ne peuvent être constituées que de quelques matériaux en raison de difficultés de fabrication, et ces matériaux n'ont pas de très bonnes performances. Comme l'explique le coauteur Keon Jae Lee de KAIST, un type de matériau de cathode idéal serait un oxyde de métal de transition au lithium, bien que ce soit l'un des matériaux qui ne peuvent actuellement pas être incorporés dans les batteries Li-ion pliables.
« Les oxydes de métaux de transition de lithium utilisés comme électrode cathodique doivent être traités à haute température (par exemple, environ 700 °C pour l'oxyde de lithium cobalt) pour la cristallinité, " Lee a dit Phys.org . "Toutefois, il n'est pas possible de traiter thermiquement la matière active sur des substrats souples comme les matériaux polymères.
La batterie Li-ion pliable en position pliée allume une LED bleue. Crédit image :Koo, et al. ©2012 Société chimique américaine
Pour surmonter cette limite, les chercheurs ont développé une technique de fabrication qui leur permet de traiter thermiquement le matériau de l'électrode, permettant l'utilisation de presque n'importe quel matériau comme électrode. Cette technique, appelée méthode de transfert universel, implique le dépôt initial des matériaux de la batterie sur un substrat de mica fragile, similaire à celui utilisé dans la fabrication de batteries non flexibles standard. Puis, à l'aide de ruban adhésif, les chercheurs ont décollé le substrat de mica, couche par couche. Après environ 10 minutes de pelage, les chercheurs ont pu retirer tout le substrat de mica sans endommager la batterie à couche mince.
Prochain, la batterie souple est transférée sur une feuille polymère souple et coiffée d'une autre feuille polymère souple. Le résultat est une batterie Li-ion flexible qui peut être fabriquée avec presque n'importe quel matériau d'électrode. Ici, les chercheurs ont utilisé de l'oxyde de cobalt et de lithium comme matériau de cathode, qui est actuellement la cathode la plus largement utilisée dans les batteries Li-ion non flexibles en raison de ses hautes performances. Pour l'anode, ils utilisaient le lithium traditionnel.
« Nous avons fabriqué une batterie Li-ion flexible haute performance structurée avec des films minces inorganiques haute densité en utilisant l'approche de transfert universel, qui permet la réalisation de diverses batteries Li-ion flexibles quelle que soit la chimie des électrodes, », a déclaré Lee. "De plus, il peut former des électrodes recuites à haute température sur des substrats polymères pour les batteries Li-ion hautes performances.
Dans les essais, les chercheurs ont démontré que la nouvelle batterie Li-ion flexible a la tension de charge la plus élevée (4,2 V) et la capacité de charge (106 μAh/cm 2 ) jamais atteint pour les batteries Li-ion flexibles. Ils ont également démontré que la batterie pouvait être pliée avec un angle de courbure élevé. Cependant, après 100 cycles de charge-décharge, la batterie a perdu une partie de sa capacité. Selon le degré de déformation en flexion, il a maintenu entre 88,2 % et 98,4 % de sa capacité d'origine.
Les composants de la batterie sont situés dans le plan neutre mécanique, qui est généré à partir du contrepoids entre les efforts de traction et de compression. Crédit image :Koo, et al. ©2012 Société chimique américaine
Comme l'ont expliqué les chercheurs, une tactique qui les a aidés à atteindre ces performances élevées même sous un angle de courbure élevé consistait à placer les parties actives de la batterie dans un espace mécaniquement neutre à l'intérieur du film de la batterie. Lorsque le film de la batterie est plié, un contrepoids se développe entre la contrainte de traction du côté extérieur et la contrainte de compression du côté intérieur, ce qui crée un plan mécaniquement neutre au milieu. Plus loin, les chercheurs ont calculé que le point auquel la contrainte de compression se transforme en contrainte de traction à un certain degré de flexion peut avoir une stabilité encore plus grande que sur un substrat cassant. Cette découverte suggère qu'il est possible que les batteries Li-ion flexibles aient une stabilité plus élevée et de meilleures performances que les batteries Li-ion non flexibles.
Pour fabriquer le premier système électronique entièrement flexible et entièrement fonctionnel, les chercheurs ont connecté la batterie Li-ion flexible à une LED organique flexible, ce dernier a été fabriqué sur un substrat flexible d'oxyde d'indium et d'étain. Les chercheurs ont ensuite enveloppé l'ensemble du système avec des feuilles de polymère flexibles pour améliorer la stabilité mécanique. Ils ont démontré que, même lorsque la batterie était en position courbée, il pourrait toujours alimenter la LED.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'améliorer les performances de la batterie, notamment sa densité énergétique, ainsi que de travailler sur la production de masse grâce à un processus de décollage laser en une étape au lieu d'utiliser du ruban adhésif. Ils notent également que la nouvelle méthode de transfert universel peut être étendue pour fabriquer d'autres dispositifs flexibles, tels que les nanogénérateurs à couche mince, transistors à couches minces, et appareils thermoélectriques.
« Je suis intéressé par la combinaison d'une source d'énergie flexible et d'une récupération d'énergie piézoélectrique autoalimentée, appelés nanogénérateurs, », a déclaré Lee. « Le système électronique entièrement flexible et son expansion avec des nanogénérateurs devraient changer notre vie quotidienne. Aussi, à utiliser dans l'électronique grand public, l'augmentation de la capacité de puissance est importante. Par conséquent, L'empilement en 3D de cette batterie à couche mince de 10 um d'épaisseur serait un sujet intéressant.
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