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10 Avr, 2024

Les batteries extensibles renforcent la flexibilité de l’électronique

Les batteries extensibles renforcent la flexibilité de l’électronique

Des chercheurs américains ont mis au point une batterie à électrodes coulissantes qui utilise un électrolyte hydrogel pour maintenir l’énergie même lorsque la batterie est étirée.

La batterie extensible gagne du terrain dans l’industrie électronique, où elle pourrait un jour servir de moyen de stockage de l’énergie dans les trackers de fitness, les appareils électroniques portables et même les vêtements intelligents.

Les chercheurs pensent que ce concept prendra de l’importance au cours de la prochaine décennie, à mesure que les appareils électroniques se rapprocheront de la peau humaine. « Pour de nombreuses applications, telles que les dispositifs portables, l’extensibilité est nécessaire car notre peau s’étire lorsque nous bougeons », explique James Pikul, professeur d’ingénierie mécanique à l’université du Wisconsin-Madison. « Une batterie qui ne ferait que s’étirer serait inconfortable à porter ».

Une batterie extensible se comporte comme un élastique, tandis que les batteries flexibles ressemblent davantage à une feuille de papier, qui peut se plier mais pas s’étirer.

James Pikul et d’autres chercheurs du monde entier travaillent actuellement sur des batteries extensibles. Les nouvelles batteries diffèrent des « batteries souples » connues en ce sens qu’elles résistent aux forces de tension axiale – des forces longitudinales sur un corps qui comprennent la tension et la compression – et qu’elles s’étirent de manière élastique lorsqu’une telle force est appliquée. En substance, une batterie extensible se comporte comme un élastique, alors que les piles souples ressemblent davantage à une feuille de papier, qui peut se plier mais pas s’étirer.

Les patchs plaident en faveur de l’étirement

L’intérêt récent pour les batteries extensibles découle de l’utilisation croissante de patchs portables non alimentés qui surveillent le sang et même la sueur. Gatorade, par exemple, commercialise désormais un patch cutané dénommé Gx Sweat Patch, qui permet de suivre l’hydratation personnelle. De nombreuses autres entreprises proposent des patchs médicaux portables, dont beaucoup bénéficieraient de l’intégration d’une source d’énergie. « La microélectronique est utilisée partout », explique Thierry Djenizian, professeur au département d’électronique flexible de l’École des mines de Saint-Étienne, en France. « Et cette électronique a besoin d’énergie. Une solution consiste à développer des microbatteries qui peuvent être totalement invisibles ».

« Nous avons étiré la batterie, nous l’avons tordue, nous l’avons frappée avec un marteau, et nous avons quand même montré qu’elle pouvait alimenter un servomoteur de manière cohérente malgré toutes ces déformations. »

-JAMES PIKUL, UNIVERSITÉ DU WISCONSIN-MADISON

Thierry  Djenizian fait partie d’un groupe qui a publié en février, dans la revue Advanced Materials Technologies, un article sur une batterie extensible au fil de lithium-ion. La batterie à fil, qui mesure 1,4 millimètre de diamètre et plus de 20 centimètres de long, utilise un tissu de cuivre torsadé comme collecteur de courant. Elle a été fabriquée à l’aide de batteries conventionnelles telles que l’oxyde de lithium et de cobalt (LCO) et le lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA, populaire pendant un certain temps dans les voitures Tesla).

Les chercheurs indiquent que leur batterie peut être étirée jusqu’à 22 % et qu’elle peut être utilisée dans des applications telles que les patchs biomédicaux, les trackers de santé, les textiles intelligents et les montres-bracelets. Selon Thierry Djenizian, l’attrait de la batterie réside en grande partie dans son confort. « Si vous faites des étirements de yoga, votre chemise peut se replier sur vous. Et si vous avez des batteries qui ne sont pas extensibles, vous le sentirez ».

De même, James Pikul fait partie d’un groupe qui a publié en mars, dans la revue Advanced Functional Materials, un article sur les batteries métal-air extensibles. La nouvelle batterie métal-air répond à une réalité simple de la vie des batteries : les métaux durs peuvent faire de bonnes anodes et cathodes, mais ils ne s’étirent pas. La solution à ce dilemme est une architecture dans laquelle les électrodes métalliques de la batterie peuvent glisser librement entre son enveloppe et son électrolyte, qui s’étirent tous deux.

Il en résulte que les parties actives de la batterie – l’anode et la cathode – n’ont pas besoin de s’étirer. En fait, elles glissent sur la surface de l’électrolyte. L’électrolyte est constitué d’un hydrogel, une substance ayant à peu près la consistance d’une lentille de contact souple. « L’anode et la cathode sont des blocs qui glissent sur les autres composants qui s’étirent », explique James Pikul. La batterie à fil utilise une anode métallique, généralement du zinc, et un tissu de carbone chargé de platine, comme cathode « aérienne ». La batterie n’est pas rechargeable et ses applications comprennent les patchs médicaux et les appareils auditifs.

Ajouter du zinc au mélange

Les chercheurs développent également des batteries extensibles conçues pour la sécurité, qui peuvent même être utilisées dans des applications où la batterie filaire entre en contact, par exemple, avec la peau humide d’un utilisateur qui transpire. Dans un article publié en février dans la revue Small, les auteurs Zhao Wang et Jian Zhu affirment que la clé de ces batteries réside dans une chimie zinc-ion extensible qui utilise un électrolyte aqueux. De telles batteries sont plus sûres que le lithium-ion, qui utilise un électrolyte organique « intrinsèquement inflammable », disent-ils. « Les batteries extensibles à électrolytes aqueux peuvent nous offrir une sécurité absolue et une alimentation fiable pendant la déformation », a écrit Jian Zhu.

Les auteurs décrivent de nombreuses chimies zinc-ion, impliquant principalement une anode de zinc et une cathode d’oxyde de manganèse ou une cathode d’argent. La capacité énergétique du zinc-ion extensible varie de quelques milliampères-heures par gramme à 300 mAh par gramme. « Par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles, les batteries zinc-ion extensibles ont une densité énergétique plus faible, mais elles peuvent alimenter la plupart des modules de consommation d’énergie », y compris les capteurs, les transistors et les écrans, a déclaré Jian Zhu. Avec une ingénierie minutieuse, a-t-il déclaré, les batteries peuvent être étirées à plus de 900 pour cent. »

Contrairement aux batteries de téléphones portables, qui consomment une grande partie du volume et du poids du produit global, la nouvelle génération de batteries extensibles devrait être pratiquement invisible. La plupart mesurent moins de 2 millimètres de diamètre et ne pèsent que quelques grammes.

De plus, la durabilité ne semble pas être un problème avec les batteries fines et extensibles. Les chercheurs ont déclaré avoir soumis leurs batteries extensibles à des abus importants sans incident. « Nous avons étiré la batterie, l’avons tordue, l’avons frappée avec un marteau, et nous avons quand même montré qu’elle pouvait alimenter de manière cohérente un servomoteur sous toutes ces déformations », a déclaré James Pikul.

Les experts en batteries estiment que le concept extensible est viable et trouvera probablement un marché. « Oui, en principe, une batterie extensible pourrait être fabriquée, à condition qu’il y ait une anode appropriée », a déclaré Donald Sadoway, professeur de science des matériaux à la retraite du MIT et fondateur de la Sadoway Labs Foundation, une institution de recherche à but non lucratif dont l’objectif est la découverte de nouvelles batteries. « Mais peut-être qu’il faut de la flexibilité, pas nécessairement de l’étirement. » Donald Sadoway a ajouté qu’il avait construit une pile de montre-bracelet extensible dans les années 1990, mais qu’il avait estimé qu’il était trop tôt pour le marché.

Aucun chercheur actuel ne sait quand la nouvelle génération de batteries arrivera sur le marché, mais ils s’attendent à une augmentation de la demande. « Au cours des 10 dernières années, il y a eu toutes ces avancées dans le domaine de l’électronique extensible, et maintenant il y a beaucoup de nouvelles applications », conclut James Pikul. « Il est donc nécessaire d’alimenter ces appareils extensibles, et la solution logique est d’avoir des batteries extensibles. »

https://spectrum.ieee.org/stretchable-electronics-batteries