Une batterie totalement tordue

Le secteur de l'électronique mise de plus en plus sur les ordinateurs ou les smartphones dotés d'écrans pliables ou enroulables. Des petits appareils ou capteurs portables sont utilisés dans les vêtements intelligents, par exemple pour surveiller les fonctions corporelles. Tous ces appareils ont toutefois besoin d'une source d'énergie, et il s'agit généralement d'une pile au lithium-ion. Seulement voilà : de telles piles sont lourdes et rigides et ne conviennent donc en principe pas pour des applications dans des appareils électroniques flexibles ou des textiles.

Markus Niederberger, professeur de matériaux multifonctionnels à l'EPF de Zurich, et son équipe remédient désormais à ce problème. Les chercheurs ont développé un prototype de batterie flexible à couche mince. Celle-ci peut être pliée, étirée ou même tordue sans que l'alimentation électrique ne soit interrompue.

La pièce ma?tresse de cette nouvelle batterie est l'électrolyte, c'est-à-dire la partie d'une batterie à travers laquelle les ions de lithium doivent se déplacer lors de la décharge ou de la charge de la batterie. L'électrolyte a été développé par le doctorant de l'ETH Xi Chen, premier auteur d'une étude qui vient d'être publiée dans la revue spécialisée "page externeMatériaux avancés" est apparu.

Utilisation systématique de composants flexibles

La structure en sandwich de cette nouvelle batterie s'inspire des accumulateurs commerciaux. Mais pour la première fois, les chercheurs ont utilisé exclusivement des composants flexibles pour que l'ensemble de la batterie reste souple et extensible. "Jusqu'à présent, personne n'avait utilisé de manière aussi conséquente que nous des composants exclusivement flexibles pour fabriquer un accumulateur lithium-ion", déclare Niederberger.

Les deux collecteurs de courant pour l'anode et la cathode sont constitués d'un plastique extensible qui contient du carbone conducteur d'électricité. Celui-ci sert également d'enveloppe extérieure. Sur la face intérieure du plastique, les chercheurs ont appliqué une fine couche de minuscules flocons d'argent. Gr?ce à la disposition en tuiles des flocons d'argent, ceux-ci ne perdent pas le contact entre eux, même lorsque le plastique est fortement étiré. Cela garantit la conductivité du collecteur de courant même lorsqu'il est fortement étiré. Si les flocons d'argent perdent tout de même le contact les uns avec les autres, le courant électrique continue de circuler à travers le plastique carboné, même s'il est plus faible.

A l'aide d'un masque, les chercheurs ont ensuite pulvérisé de la poudre d'anode ou de cathode sur la couche d'argent dans une zone bien délimitée. La poudre cathodique contient de l'oxyde de manganèse et de lithium, l'anode de l'oxyde de vanadium.

Electrolyte gélifié à base d'eau

Séparés par une couche de séparation qui ressemble à un cadre photo, les scientifiques ont finalement posé les deux collecteurs de courant avec les électrodes appliquées l'un sur l'autre et ont rempli l'espace dans le cadre avec du gel électrolytique.

Ce gel est plus respectueux de l'environnement que les précédents, souligne Niederberger. "Le liquide électrolytique des batteries actuelles est toxique et inflammable, tandis que celui développé par son doctorant Xi Chen est à base d'eau. Un sel de lithium est introduit en forte concentration dans le gel, ce qui permet non seulement aux ions de lithium de migrer entre la cathode et l'anode pendant la charge et la décharge, mais empêche également la décomposition électrochimique de l'eau.

Pour leur prototype, les scientifiques ont assemblé les différents composants avec de la colle. "Si nous voulons commercialiser la batterie, nous devons trouver un autre procédé pour qu'elle reste étanche à long terme", explique Niederberger.

De nombreuses possibilités d'utilisation

Les applications pour une telle batterie sont de plus en plus nombreuses. Des fabricants de téléphones portables renommés font actuellement de la surenchère en proposant des écrans flexibles pour leurs appareils. On peut aussi imaginer des écrans enroulables d'ordinateurs, de smartwatches et de tablettes ; on a également besoin de fournisseurs de courant flexibles dans les textiles fonctionnels qui contiennent de l'électronique flexible. "On pourrait par exemple coudre une telle batterie dans les vêtements", explique Niederberger. Il est important qu'en cas de fuite de la pile, le liquide qui s'en échappe ne cause pas de dommages, c'est pourquoi son électrolyte présente des avantages.

Niederberger souligne toutefois que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser la batterie flexible et pour penser à la commercialiser. Il faudrait avant tout augmenter la charge en matériau d'électrode. Une nouvelle doctorante a récemment commencé à développer ce distributeur d'énergie souple. L'inventeur du premier prototype, Xi Chen, originaire de Chine, est retourné dans son pays natal après avoir terminé sa thèse, où il a pris un nouvel emploi - comme consultant dans l'industrie des batteries.