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Aujourd’hui, l’industrie électronique se concentre de plus en plus sur les ordinateurs ou les smartphones dotés d’écrans pliables ou enroulables. Les vêtements intelligents utilisent des microdispositifs ou des capteurs portables pour surveiller les fonctions corporelles. Cependant, tous ces appareils ont besoin d’une source d’énergie, qui est généralement une batterie lithium-ion.

Une batterie flexible

Malheureusement, les batteries commerciales sont généralement lourdes et rigides, ce qui les rend fondamentalement inadaptées aux applications dans l’électronique flexible ou les textiles. Markus Niederberger, professeur des matériaux multifonctionnels à l’ETH Zurich et son équipe ont trouvé une solution à ce problème. Les chercheurs ont mis au point un prototype de batterie flexible à couche mince qui peut être pliée, étirée et même torsadée sans interrompre l’alimentation électrique.
Ce qui rend cette nouvelle batterie spéciale est son électrolyte – la partie de la batterie à travers laquelle les ions lithium se déplacent lorsque la batterie est chargée ou déchargée. Cet électrolyte a été découvert par Xi Chen, doctorant de l’ETH, et auteur principal de cette étude.

Utilisation de composants pliables

Suivant la conception des batteries commerciales, ce nouveau type de batterie est construit en couches comme un sandwich. Cependant, c’est la première fois que les chercheurs utilisent des composants flexibles pour maintenir la batterie pliable et extensible. « Jusqu’à présent, personne n’avait utilisé de composants exclusivement flexibles comme nous l’avons fait pour créer cette batterie lithium-ion « , explique M. Niederberger.
Les deux collecteurs de courant de l’anode et de la cathode sont constitués d’un composite en polymère pliable qui contient du carbone électriquement conducteur et qui sert également de couche extérieure. Sur la surface intérieure du composite, les chercheurs ont appliqué une fine couche de paillettes d’argent micronisées.

Grâce à la manière dont les flocons se chevauchent comme les tuiles, lorsque l’élastomère est étiré ils ne perdent pas le contact les uns avec les autres. Ceci garantit la conductivité du capteur de courant même s’il est soumis à un étirement important. Et dans le cas où ces paillettes d’argent perdraient effectivement le contact entre elles, le courant électrique pourrait encore circuler à travers le composite contenant du carbone.
À l’aide d’un masque, les chercheurs ont ensuite pulvérisé de la poudre d’anode et de cathode sur une zone bien définie de la couche d’argent. La cathode est composée d’oxyde de lithium-de manganèse et l’anode est faite d’oxyde de vanadium.

Un électrolyte gélifié à base d’eau

Dans la dernière étape, les scientifiques ont empilé les deux collecteurs de courant avec les électrodes appliquées l’une sur l’autre, séparées par une couche barrière semblable à un cadre photo, tandis que l’espace dans le cadre était rempli avec un gel électrolytique.
Niederberger souligne que ce gel est plus respectueux de l’environnement que les électrolytes commerciaux : « l’électrolyte liquide des batteries d’aujourd’hui est inflammable et toxique. » En revanche, l’électrolyte gélifié mis au point par son doctorant Chen contient de l’eau à forte concentration en sel de lithium, ce qui non seulement facilite la circulation des ions lithium entre la cathode et l’anode pendant que la batterie se charge ou se décharge, mais empêche également la décomposition électrochimique de l’eau.

De nombreuses applications potentielles

De plus en plus d’applications pour une batterie comme celle-ci apparaissent chaque jour. Des fabricants bien connus de téléphones portables se disputent les uns avec les autres pour produire des appareils à écrans pliants. D’autres possibilités incluent les écrans enroulables pour ordinateurs, les montres à puce et les tablettes, ou les textiles intelligents qui contiennent de l’électronique pliable – et toutes ces possibilités exigent une alimentation électrique flexible.
« Par exemple, vous pourriez coudre notre batterie directement dans des vêtements », dit Niederberger. En cas de fuite de la batterie, il est important de s’assurer que les liquides qui en sortent ne causeraient aucun dommage. C’est là que l’électrolyte de l’équipe offre un avantage considérable.

L’optimiser avant de la mettre sur le marché

M. Niederberger souligne toutefois que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser cette batterie flexible avant qu’ils n’envisagent de la commercialiser. Par-dessus tout, l’équipe doit augmenter la quantité d’électrode qu’elle peut contenir. Un nouveau doctorant a récemment commencé à perfectionner l’alimentation électrique extensible.
Cette recherche a été publiée dans Advanced Materials,
Source : ETH Zurich
Crédit photo : Pixabay

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