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La fabrication additive, autrement connue sous le nom d’impression 3D, peut être utilisée pour fabriquer des électrodes poreuses pour les batteries lithium-ion, mais en raison de la nature du processus de fabrication, la conception de ces électrodes imprimées en 3D était limitée à quelques formes architecturales. Jusqu’à présent, la géométrie interne qui produisait les meilleures électrodes poreuses grâce à la fabrication additive était ce qu’on appelle une géométrie entremêlée – des griffes métalliques imbriquées comme les doigts de deux mains jointes, avec le lithium entre les deux côtés.

Une architecture poreuse

La capacité de la batterie au lithium-ion peut être considérablement améliorée si à l’échelle microscopique, ses électrodes ont des pores et des canaux. Une géométrie entremêlée, bien qu’elle permette au lithium de traverser efficacement la batterie pendant la charge et la décharge, n’est pas optimale.

Rahul Panat, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université Carnegie Mellon, et une équipe de chercheurs de Carnegie Mellon en collaboration avec l’Université des Sciences et Technologies du Missouri, ont développé une nouvelle méthode révolutionnaire d’électrodes pour batterie en utilisant l’impression 3D, qui permet de créer une structure de micro-treillis à porosité contrôlée. L’impression en 3D de cette structure de micro-treillis améliore considérablement la capacité et les taux de charge-décharge pour les batteries lithium-ion.

«Dans le cas des batteries lithium-ion, les électrodes avec des architectures poreuses peuvent produire des capacités de charge plus élevées», explique Panat. «C’est parce que de telles architectures permettent au lithium de pénétrer à travers l’électrode, ce qui produit des électrodes plus efficaces, et donc à une plus grande capacité de stockage d’énergie. Pour les batteries normales, 30 à 50 % du volume total des électrodes est inutilisé; mais en utilisant l’impression 3D où nous créons une architecture d’électrode en micro-treillis, qui permet un meilleur transport du lithium à travers l’ensemble de l’électrode, cela augmente les taux de charge de la batterie.  »

Une technologie qui sera disponible d’ici deux à trois ans

La méthode de fabrication additive présentée dans l’article de Panat représente une avancée majeure dans l’impression des géométries complexes, pour les architectures de batteries 3D, ainsi qu’une étape importante vers l’optimisation géométrique des configurations 3D, pour le stockage d’énergie électrochimique. Les chercheurs estiment que cette technologie sera prête à être disponible pour des applications industrielles, d’ici deux à trois ans.

Les chercheurs de Carnegie Mellon ont mis au point leur propre méthode d’impression 3D pour créer les architectures de micro-treillis poreux, tout en tirant parti des capacités existantes d’un système d’impression 3D en jets d’aérosol. Ce type de système permet également aux chercheurs d’imprimer des capteurs planaires et d’autres composants électroniques à l’échelle microscopique, qui ont été dévoilés au Collège d’ingénierie de l’Université Carnegie Mellon plus tôt cette année.

Jusqu’à présent, les efforts pour créer une batterie imprimée en 3D étaient limités à l’impression par extrusion, où un fil de matériau est extrudé à partir d’une buse, créant des structures continues. Les structures de micro-treillis étaient possibles en utilisant cette méthode. Grâce à cette méthode développée dans le laboratoire de Panat, les chercheurs seront en mesure d’imprimer en trois dimensions les électrodes d’une batterie en assemblant rapidement des gouttelettes les unes après les autres, dans des structures tridimensionnelles. Les structures résultantes ont des géométries complexes impossibles à fabriquer en utilisant des méthodes d’extrusion ordinaires.

Une méthode révolutionnaire pour l’électronique grand public

« Parce que ces gouttelettes sont séparées les unes des autres, nous pouvons créer ces nouvelles géométries qui sont très complexes », explique Panat. « S’il s’agissait d’un seul flux d’un élément, comme dans le cas de l’impression par extrusion, nous ne serions pas en mesure de les fabriquer, ce qui est nouveau, je crois que personne jusqu’à maintenant n’a utilisé l’impression 3D pour créer ces types de structures. »

Cette méthode révolutionnaire sera très importante pour l’électronique grand public, l’industrie des dispositifs médicaux, ainsi que pour les applications aérospatiales. Cette recherche s’intégrera également très bien avec les dispositifs électroniques biomédicaux, où des batteries miniaturisées sont nécessaires.

Les micro-dispositifs électroniques non biologiques bénéficieront également de cette découverte, et à plus grande échelle, les appareils électroniques, les petits drones et les applications aérospatiales peuvent eux aussi utiliser cette technologie, en raison du faible poids et de la grande capacité des batteries imprimées avec cette méthode.

Source : Carnegie Mellon University