Vos genoux et la batterie de votre smartphone ont des besoins étonnamment similaires, un professeur de l'Université du Michigan a découvert, et cette nouvelle idée a conduit à un prototype de « batterie structurelle » qui incorpore un matériau semblable à du cartilage pour rendre les batteries très durables et faciles à façonner.

L'idée derrière les batteries structurelles est de stocker de l'énergie dans des composants structurels - l'aile d'un drone ou le pare-chocs d'un véhicule électrique, par exemple. Ils constituent un objectif à long terme pour les chercheurs et l'industrie, car ils pourraient réduire le poids et étendre la portée. Mais les batteries structurelles ont jusqu'à présent été lourdes, de courte durée ou dangereux.

Dans une étude publiée dans ACS Nano , les chercheurs décrivent comment ils ont fabriqué une batterie au zinc rechargeable résistante aux dommages avec un électrolyte solide semblable à du cartilage. Ils ont montré que les batteries peuvent remplacer les boîtiers supérieurs de plusieurs drones commerciaux. Les cellules prototypes peuvent fonctionner pendant plus de 100 cycles à 90 % de leur capacité, et résistent aux chocs violents et même aux coups de couteau sans perte de tension ni incendie.

"Une batterie qui est aussi un élément structurel doit être légère, fort, sûr et ont une grande capacité. Malheureusement, ces exigences sont souvent mutuellement exclusives, " a déclaré Nicolas Kotov, le professeur d'ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka, qui a dirigé la recherche.

Exploiter les propriétés du cartilage

Pour contourner ces compromis, les chercheurs ont utilisé du zinc, un matériau structurel légitime, et des nanofibres ramifiées qui ressemblent aux fibres de collagène du cartilage.

"La nature n'a pas de piles au zinc, mais il fallait résoudre un problème similaire, " a déclaré Kotov. "Le cartilage s'est avéré être un prototype parfait pour un matériau de transport d'ions dans les batteries. Il a une mécanique incroyable, et il nous sert très longtemps par rapport à sa minceur. Les mêmes qualités sont requises des électrolytes solides séparant les cathodes et les anodes des batteries. »

Dans nos corps, le cartilage allie résistance mécanique et durabilité à la capacité de laisser passer l'eau, les nutriments et autres matériaux s'y déplacent. Ces qualités sont quasiment identiques à celles d'un bon électrolyte solide, qui doit résister aux dommages causés par les dendrites tout en laissant passer les ions d'une électrode à l'autre.

Les dendrites sont des vrilles de métal qui percent le séparateur entre les électrodes et créent une voie rapide pour les électrons, court-circuiter le circuit et provoquer un incendie. Le zinc a déjà été négligé pour les batteries rechargeables, car il a tendance à court-circuiter après seulement quelques cycles de charge/décharge.

Non seulement les membranes fabriquées par l'équipe de Kotov peuvent transporter des ions zinc entre les électrodes, ils peuvent également arrêter les dendrites perçantes du zinc. Comme le cartilage, les membranes sont composées de nanofibres ultrarésistantes entrelacées avec un matériau plus doux et respectueux des ions.

Dans les piles, les nanofibres d'aramide - le truc dans les gilets pare-balles - remplacent le collagène, avec de l'oxyde de polyéthylène (en forme de chaîne, molécule à base de carbone) et un sel de zinc remplaçant les composants mous du cartilage.

Démontrer la sécurité et l'utilité

Pour faire des cellules de travail, l'équipe a associé les électrodes de zinc à de l'oxyde de manganèse, la combinaison trouvée dans les piles alcalines standard. Mais dans les batteries rechargeables, la membrane semblable à du cartilage remplace le séparateur standard et l'électrolyte alcalin. En tant que batteries secondaires sur les drones, les cellules de zinc peuvent prolonger le temps de vol de 5 à 25 pour cent, selon la taille de la batterie, masse du drone et conditions de vol.

La sécurité est essentielle pour les batteries structurelles, l'équipe a donc délibérément endommagé leurs cellules en les poignardant avec un couteau. Malgré de multiples "blessures, " la batterie a continué à se décharger proche de sa tension de conception. Ceci est possible car il n'y a pas de liquide à fuir.

Pour l'instant, les batteries au zinc sont les meilleures comme sources d'alimentation secondaires car elles ne peuvent pas se charger et se décharger aussi rapidement que leurs confrères au lithium-ion. Mais l'équipe de Kotov a l'intention d'explorer s'il existe une meilleure électrode partenaire qui pourrait améliorer la vitesse et la longévité des piles rechargeables au zinc.

La recherche a été soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force et la National Science Foundation. Kotov enseigne au Département de génie chimique. Il est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux, et la science et l'ingénierie macromoléculaires.