Une batterie extensible peut survivre même à des tortures extrêmes
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Les chercheurs ont intégré une batterie et un circuit dans un système électronique auto-réparateur capable de se remettre d'une coupure causée par une lame de rasoir.
Une nouvelle batterie lithium-ion peut non seulement résister à l’étirement et à la torsion, mais elle peut également être piquée par des aiguilles et coupée en deux par des lames de rasoir, puis se réparer pour continuer à fournir de l’énergie à un appareil.
L'électronique portable, les robots souples et autres appareils pourraient bénéficier de batteries lithium-ion souples et extensibles. Cependant, la plupart des batteries lithium-ion commerciales sont hermétiquement scellées dans des boîtiers rigides pour les protéger de l'humidité susceptible de dégrader leurs performances et pour empêcher les fuites d'électrolytes toxiques et inflammables.
Des recherches antérieures avaient porté sur des batteries extensibles utilisant des hydrogels comme électrolytes. En utilisant l'eau comme solvant, ces batteries à hydrogel se sont révélées ininflammables et moins sensibles à l'humidité que les batteries lithium-ion commerciales. Cependant, les dispositifs antérieurs présentaient plusieurs limites. Certains n'étaient stables qu'à des tensions relativement faibles. D'autres dépendaient de composés fluorés toxiques et coûteux.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont développé une nouvelle batterie lithium-ion hydrogel à base d'eau, sans fluor. « De nombreux matériaux utilisés sont différents de ceux des batteries lithium-ion conventionnelles », explique Peisheng He , chercheur postdoctoral en génie mécanique à l'Université de Californie à Berkeley. « Nous avons surmonté ces difficultés en tirant les leçons des essais infructueux, en élaborant et en améliorant constamment nos protocoles de fabrication et de test. »
Les batteries extensibles précédentes se sont avérées robustes, résistant aux torsions et même aux coups de marteau . La nouvelle batterie affiche un niveau de durabilité supérieur, supportant non seulement les étirements, les torsions et les pliages, mais aussi l'alimentation continue d'une lumière jaune même en cas de perforations répétées avec des aiguilles. De plus, « la batterie peut être coupée en deux, reconstituée et auto-réparée pour conserver plus de 90 % de sa capacité », explique Liwei Lin , co-auteur et professeur de génie mécanique à l'UC Berkeley .
Nouvelle batterie lithium-ion hydrogel durable
La nouvelle batterie s'est avérée stable jusqu'à 3,11 volts. Les anciennes batteries hydrogel n'étaient stables que jusqu'à 1,23 volt. De plus, sur une période d'un mois, elle a fonctionné de manière stable sur 500 cycles de charge et de décharge, déchargeant en moyenne 95 % de la charge électrique reçue.
« L'intégration de nos batteries dans le bracelet d'une montre connectée peut multiplier la capacité de la batterie de la montre, de sorte que l'on peut n'avoir besoin de la recharger qu'une fois par semaine ou plus », explique le co-auteur Anju Toor , professeur adjoint de science des matériaux et d'ingénierie au Georgia Institute of Technology .
Les scientifiques soulignent que la densité énergétique de leur batterie ne représente qu'environ un dixième de celle des batteries lithium-ion du marché. « Il reste donc du travail à faire », précise-t-il. « Nous pensons que les optimisations apportées à la structure des électrodes, aux électrodes haute capacité et à la chimie des électrolytes amélioreront encore la densité énergétique à l'avenir. »
Cependant, « même sans ces améliorations, le prototype actuel suffirait à remplacer le bracelet en polymère d’une montre connectée pour fournir une puissance supplémentaire », explique Liwei Lin.
Les chercheurs tentent désormais de faire passer cette technologie de la fabrication à l'échelle du laboratoire à la fabrication à haut débit au niveau industriel grâce à un processus de rouleau à rouleau, explique Toor.
Les scientifiques ont détaillé leurs conclusions le 9 avril dans la revue Science Advances .