Batterie lithium-ion entièrement extensible pour l’électronique flexible
19.07.2024
Lorsque vous pensez à une batterie, vous ne pensez probablement pas à l’extensibilité. Pourtant, les batteries auront besoin de cette qualité de changement de forme pour être incorporées dans des composants électroniques flexibles, qui gagnent en popularité pour les moniteurs de santé portables. Aujourd’hui, des chercheurs publient dans ACS Energy Letters une batterie lithium-ion dont les composants sont entièrement extensibles, y compris une couche d’électrolyte qui peut se dilater de 5000 %, et qui conserve sa capacité de stockage de charge après près de 70 cycles de charge/décharge.
Les appareils électroniques qui se plient et s’étirent ont besoin de batteries aux propriétés similaires. La plupart des chercheurs qui ont tenté de construire de telles batteries les ont créées avec du tissu conducteur tissé ou des composants rigides pliés dans des formes extensibles, semblables à celles de l’origami. Mais pour qu’une batterie soit réellement malléable, chaque partie – les électrodes qui recueillent la charge et la couche d’électrolyte intermédiaire qui équilibre la charge – doit être élastique. Jusqu’à présent, les prototypes de batteries réellement extensibles présentent une élasticité modérée, des processus d’assemblage complexes ou une capacité de stockage d’énergie limitée, en particulier au fil du temps avec des charges et des décharges répétées. Cette dernière peut être due à une faible connexion entre la couche d’électrolyte et les électrodes ou à l’instabilité de l’électrolyte fluide, qui peut se déplacer lorsque la batterie change de forme. Plutôt que d’utiliser un liquide, Wen-Yong Lai et ses collègues ont donc voulu incorporer l’électrolyte dans une couche de polymère fusionnée entre deux films d’électrodes flexibles, afin de créer une batterie entièrement solide et extensible.
Pour fabriquer les électrodes de la batterie entièrement élastique, l’équipe a étalé sur une plaque une fine pellicule de pâte conductrice contenant des nanofils d’argent, du noir de carbone et des matériaux cathodiques ou anodiques à base de lithium. Une couche de polydiméthylsiloxane, un matériau flexible couramment utilisé dans les lentilles de contact, a ensuite été appliquée sur le dessus de la pâte. Directement sur ce film, les chercheurs ont ajouté un sel de lithium, un liquide hautement conducteur et les ingrédients nécessaires à la fabrication d’un polymère extensible. Activés par la lumière, ces composants se sont combinés pour former une couche solide et caoutchouteuse capable de s’étirer jusqu’à 5000 % de sa longueur initiale et de transporter des ions lithium. Enfin, la pile a été recouverte d’un autre film d’électrode et l’ensemble du dispositif a été scellé dans une couche protectrice.
Si l’on compare la conception de la batterie solide extensible à un dispositif similaire doté d’un électrolyte liquide traditionnel, la nouvelle version avait une capacité de charge moyenne environ six fois supérieure à un taux de charge rapide. De même, la batterie solide a conservé une capacité plus stable pendant 67 cycles de charge et de décharge. Dans d’autres prototypes fabriqués avec des électrodes solides, l’électrolyte polymère a maintenu un fonctionnement stable sur 1 000 cycles, la capacité diminuant de 1 % au cours des 30 premiers cycles, contre une baisse de 16 % pour l’électrolyte liquide. Il reste encore des améliorations à apporter, mais cette nouvelle façon de créer des batteries solides entièrement extensibles pourrait constituer une avancée prometteuse pour les dispositifs portables ou implantables qui s’adaptent et se déplacent avec le corps.
