Alors que les technologies électroniques flexibles et extensibles ont progressé à pas de géant au cours des 10 dernières années, les batteries pour les alimenter ont du rattrapage à faire. Des chercheurs de Singapour et de Chine ont maintenant démontré une batterie "quasi-solide" - fabriquée à partir de matériaux quelque part entre un liquide et un solide - qui peut être compressée jusqu'à 60% tout en maintenant une densité d'énergie élevée et une bonne stabilité sur 10, 000 cycles de charge-recharge. La fabrication de la batterie exploite l'impression 3D, lequel, tout en suscitant un intérêt pour la réalisation de structures de batteries complexes, a posé des défis pour les batteries qui peuvent s'étirer, écraser et plier tout en alimentant les appareils.

"La technologie d'impression 3D est un domaine en développement très rapide, " dit Hui Ying Yang, un chercheur en science des matériaux à l'Université de technologie et de design de Singapour qui a dirigé la recherche rapportée dans ACS Nano . Elle explique que cela l'a incitée, elle et ses collègues, à appliquer la technologie à leurs recherches sur les batteries pour le prototypage rapide, leur permettant « de produire des électrodes de batterie avec n'importe quelle forme arbitraire, couches et motifs."

L'intrigue se corse

Les flocons d'oxyde de graphène (GO) dans les solutions aqueuses ont été un matériau "d'encre" populaire car ils font des dispersions stables et leurs propriétés rhéologiques (comment ils s'écoulent et se déforment) peuvent être ajustées dans une certaine mesure. Cependant, additifs tels que les ions calcium, des nanotubes de carbone et des nanofibres de cellulose sont nécessaires pour obtenir un aérogel GO avec le type de viscosité avec lequel une imprimante 3D peut fonctionner. La recherche dans cette direction a conduit à des structures ultralégères imprimées en 3D de GO réduit (c'est-à-dire, traité pour éliminer l'oxygène afin que le matériau ressemble davantage au graphène) avec une grande conductivité et compressibilité. Mais les structures nano carbonées ne stockent pas à elles seules l'énergie électrochimique, et l'ajout d'additifs électrochimiquement actifs à l'encre d'imprimerie pour fabriquer une batterie conduit alors à des problèmes avec les propriétés rhéologiques de l'encre.

Au lieu, Yang et ses collègues ont imprimé leur aérogel de nanocarbone, puis déposé des nanomatériaux à base de fer et de nickel électrochimiquement actifs sur la structure imprimée. Pour obtenir la viscosité souhaitée de l'encre d'impression, ils ont mélangé des flocons de GO avec des nanotubes de carbone (CNT). Ils ont ensuite immergé les structures en treillis imprimés dans un mélange d'ammoniac et de sulfates, dont sulfate de nickel, qui a conduit à la formation de Ni(OH) 2 nanoflocons sur la structure. Lorsqu'ils ont traité le réseau de nanocarbones avec du nitrate de fer et du chlorure de fer, poreux αFe 2 O 3 à la place, des réseaux de nanotiges se sont développés à la surface du réseau.

Jouer dans une compression

Les batteries quasi-solides nickel-fer ont déjà suscité l'intérêt en raison d'un certain nombre d'attributs souhaitables, y compris à faible coût, cyclabilité élevée et bonne stabilité mécanique. Yang et ses collaborateurs ont étudié les performances rhéologiques et électrochimiques du Ni(OH) 2 et Fe 2 O 3 structures nanocarbonées chargées, réglage des dimensions de la structure et utilisation d'un liquide aqueux ou d'un gel polymère d'hydroxyde de potassium comme électrolyte. Ils ont pu démontrer une batterie qui pouvait être compressée de 60% et conserver une excellente stabilité en cyclage (~91,3% de rétentions de capacité après 10, 000 cycles de charge-décharge) et une densité d'énergie ultra-élevée (28,1 mWh cm ^-3 à une puissance de 10,6 mW cm ^-3 ). En connectant quatre appareils en série, ils ont montré que les appareils pouvaient allumer une LED bleue.

"Notre stratégie de synthèse fournit non seulement une méthode efficace de fabrication de batteries compressibles par impression 3D, mais aussi promouvoir les applications futures des dispositifs électroniques flexibles/portables résistants au stress, " dit Yang. Pourtant, lors de l'impression, la batterie est facilement évolutive, la densité énergétique n'est actuellement pas en concurrence avec les appareils commerciaux (non compressibles). "Prochain, nous étudierons plus avant les batteries rechargeables aqueuses imprimées en 3D à haute densité d'énergie et plates-formes à décharge élevée, telles que les batteries Zn-air, etc, " dit Yang.

Ce travail de recherche est fortement soutenu par le SUTD Digital Manufacturing and Design Center.

© 2020 Réseau Science X