L'impression 3D est-elle l'avenir de la conception de batteries ?

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L'une des technologies habilitantes de notre style de vie du 21e siècle est la batterie lithium-ion. Ces packs d'énergie rendent possibles les téléphones portables et les voitures électriques, les ordinateurs portables et les appareils de santé, les robots et les capteurs télécommandés, et bien plus encore. Sans surprise, plus tôt cette année, leurs développeurs ont reçu le prix Nobel de chimie.

Mais les scientifiques des matériaux ont désespérément besoin de meilleures batteries pour l'Internet des objets, pour la prochaine génération d'appareils personnels, et bien plus encore. De meilleures batteries seront également appelées à jouer un rôle majeur dans le stockage de l'énergie provenant de sources renouvelables mais inconstantes telles que le vent et le soleil.

Les performances de la batterie sont le résultat de nombreux facteurs différents. La densité d'énergie est cruciale; il en va de même pour la capacité de maintenir la charge sans qu'elle ne fuie. Ensuite, il y a la recharge - pas une seule fois, mais des milliers ou des dizaines de milliers de fois - et, bien sûr, la sécurité.

Les électrochimistes savent trop bien à quel point cet équilibre est délicat. Par conséquent, les fabricants de batteries sont prudents lorsqu'ils essaient de nouvelles approches, de peur qu'un aspect des performances ne chute. Les améliorations sont donc généralement incrémentielles et minuscules. D'où proviendront probablement les grandes améliorations dont nous avons besoin ?

Aujourd'hui, nous obtenons une sorte de réponse : les batteries du futur seront fabriquées via l'impression 3D, déclarent Vladimir Egorov de l'Université de Cork en Irlande et quelques collègues. Ces personnes ont étudié les différentes nouvelles techniques d'impression pour les batteries et suggèrent que cela rendra possible une nouvelle génération d'appareils plus petits et plus performants.

Tout d'abord un peu de contexte. L'impression 3D est le terme général pour une variété de techniques qui permettent de construire des objets tridimensionnels en ajoutant du matériau couche par couche. Cela peut être un moyen de créer des prototypes à tester, sans parler des aliments exotiques, des pièces de rechange et même des bâtiments entiers. L'utilisation de nombreuses machines d'impression en parallèle permet la production en série d'articles tels que des pièces de voitures et d'avions et des chaussures. Et lorsqu'un nouveau design est disponible, il peut être imprimé rapidement, avec une reconfiguration minimale de l'espace de l'usine.

Les scientifiques des matériaux ont également commencé à expérimenter des moyens d'imprimer des circuits électroniques à l'aide d'encres polymères et d'un polymère d'argent pour les traces, de sorte que la soudure n'est plus nécessaire. De cette façon, les cartes de circuits imprimés peuvent prendre plus ou moins n'importe quelle forme et même faire partie de la structure d'un appareil.

Cependant, une limitation importante est la nécessité d'incorporer des batteries conventionnelles, qui se présentent sous des tailles et des formes spécifiques.

La possibilité d'imprimer des batteries 3D va changer cela. S'ils peuvent être imprimés pour s'intégrer de manière transparente dans la conception du produit, pour des raisons esthétiques et de confort ou fonctionnelles, la batterie standard plus volumineuse et à facteur de forme fixe n'a pas besoin d'être prise en compte au stade de la conception du produit, déclarent Egorov and co.

C'est plus facile à dire qu'à faire. Les matériaux électroactifs utilisés dans les batteries sont intrinsèquement réactifs et les structures telles que les anodes et les cathodes sont physiquement complexes. Ils doivent souvent être ordonnés comme des cristaux, et parfois poreux comme des éponges moléculaires. Toujours, ils doivent être chimiquement bien caractérisés.

Il est difficile de créer des versions de ces matériaux qui conviennent à l'impression 3D, que ce soit par l'extrusion d'un solide ou d'un liquide ou par la polymérisation d'un liquide. Une fois imprimés, ces matériaux doivent conserver leurs interconnexions électriques, contrôler étroitement toutes les réactions chimiques qui se produisent entre les composants et garantir que les batteries peuvent se charger et se décharger sur de nombreux cycles.

Plus important encore, les batteries doivent être sûres. Toutes les batteries doivent satisfaire à des normes de sécurité strictes avant de pouvoir être utilisées dans les maisons, les véhicules, les avions, etc. Les piles qui fuient peuvent causer des dommages coûteux. Mais le risque le plus sérieux est le feu. Il se peut que les critères de test devront changer pour permettre de nouvelles conceptions qui changent constamment.

Et même si tous ces défis peuvent être surmontés, une autre question se profile. Les batteries 3D seront-elles plus performantes que les conceptions existantes ?

Egorov et co fournissent un aperçu complet des matériaux, des méthodes et des défis auxquels l'industrie des batteries est confrontée dans l'impression des blocs d'alimentation du futur. Mais les critiques passent à côté d'un élément important de la conception future des batteries où l'impression 3D pourrait avoir un rôle important à jouer.

L'un des défis les plus grands et les plus importants pour l'industrie des batteries est de rendre leurs produits recyclables. Les batteries d'aujourd'hui sont spécialement conçues pour ne pas être démontées facilement, il est donc presque impossible de réutiliser les précieux matériaux qu'elles contiennent.

Cela ne convient pas à une technologie qui devra jouer un rôle central dans la transition de la société des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables.

Le changement est donc bien nécessaire. La pensée actuelle est que les batteries doivent être conçues dès le départ en gardant à l'esprit le recyclage, et que cela nécessitera un tout nouvel état d'esprit de la part des concepteurs de batteries. La flexibilité offerte par l'impression 3D a le potentiel de lancer et d'accélérer cette révolution indispensable.

Alors qu'Egerov et co ignorent ce problème (le terme recyclage n'apparaît pas dans leur article), le reste de l'industrie des batteries ne peut pas se le permettre.

Réf : arxiv.org/abs/1912.04400 : Évolution des méthodes et des matériaux d'impression 3D pour le stockage d'énergie électrochimique

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