Les batteries à vaporiser pourraient remodeler le stockage d'énergie

Imaginez que vous peignez au pistolet le côté de votre maison et qu'il produise non seulement de l'énergie solaire, mais peut également stocker l'énergie pour plus tard. Une nouvelle approche de la conception des batteries des chercheurs de l'Université Rice pourrait permettre cela et d'autres types de batteries à vaporiser.

L'équipe de l'Université Rice a créé des cellules de batterie à la surface des carreaux de salle de bain et, lorsqu'elles sont chargées par une cellule solaire, elles ont pu alimenter une lumière LED. Crédit : Université Rice

La recherche, publiée la semaine dernière dans Nature , cherche une nouvelle approche de la fabrication des batteries en utilisant des matériaux pouvant être peints par pulvérisation sur diverses surfaces. Combinée à des circuits imprimés flexibles et à des recherches sur les cellules solaires pulvérisées, la technique offre la perspective de transformer des objets communs en appareils intelligents dotés de puissance de calcul et de stockage. Une autre possibilité est l'électronique grand public, comme les téléphones portables ou les appareils photo, avec un revêtement de batterie.

Les batteries lithium-ion conventionnelles sont constituées de plusieurs couches de composants différents, notamment l'anode, le séparateur, la cathode et des feuilles métalliques pour collecter la charge. Cette structure de rouleau de gelée signifie que les batteries lithium-ion sont limitées à des cellules de forme cylindrique et rectangulaire, ou prismatique.

Le groupe Rice s'est concentré sur l'utilisation de composants liquides pouvant être peints avec un aérographe. Dans une expérience, les cinq composants traditionnels de la batterie ont été appliqués en couches sur neuf carreaux de salle de bain en céramique et d'autres objets ménagers, y compris une chope de bière, à des fins de test. Ils ont découvert que la technique pouvait être utilisée sur la céramique, l'acier inoxydable et les polymères flexibles.

Les batteries du carrelage de la salle de bain ont été câblées en parallèle et connectées à un panneau solaire photovoltaïque pour allumer une lumière LED pendant six heures. Les batteries fournissaient une tension constante de 2,4 volts.

La science fondamentale derrière l'effort était de trouver une composition liquide appropriée pour les différents composants de la batterie. Les batteries au lithium-ion utilisent souvent une feuille d'aluminium pour collecter la charge positive, mais les micropoudres d'aluminium conductrices posent des problèmes de santé si elles sont pulvérisées. Le groupe a donc utilisé des nanotubes à paroi simple pour collecter le courant.

Le groupe a également rencontré des problèmes de fabrication, où les différentes couches se sont décollées après la pulvérisation. Pour un séparateur, les chercheurs ont opté pour une peinture polymère composée d'un mélange de résine, de plexiglas et de dioxyde de silicium dans un solvant. La partie la plus difficile était d'atteindre la stabilité mécanique, et le séparateur a joué un rôle essentiel, a déclaré Neelam Singh, auteur principal de l'article, dans un déclaration . L'épaisseur finale était d'environ 200 microns, soit l'épaisseur de quelques mèches de cheveux.

Singh décrit le travail comme un nouveau concept de batteries qui libère les concepteurs des contraintes des formes d'aujourd'hui. Nous avons maintenant la flexibilité dans le choix du substrat et des formes de batteries. Nous pouvons fabriquer des batteries imprimables sur pratiquement n'importe quel matériau, a-t-elle déclaré dans une vidéo publiée par le laboratoire du professeur Pulickel Ajayan à Rice.

Une batterie lithium-ion traditionnelle a une construction en gelée (à gauche) tandis que la technique de la batterie Rice utilise des peintures pour les composants actifs qui peuvent être pulvérisées sur une surface. Crédit : Université Rice

Les performances des batteries sont comparables à celles des batteries lithium-ion d'aujourd'hui et la capacité des batteries expérimentales était proche des prévisions, ce qui suggère que le processus pourrait être adapté aux aérosols portatifs, selon Rice.

Mais le document souligne une limitation importante à l'idée d'acheter des bombes aérosols d'oxyde de cobalt et de lithium à la quincaillerie pour une batterie à faire soi-même. Les composants des batteries lithium-ion sont sensibles à l'air et à l'humidité, ce qui signifie qu'il serait dangereux de produire des batteries pulvérisées directement à l'extérieur sans équipement coûteux.

Néanmoins, étant donné que la technique de pulvérisation pourrait être utilisée avec des pistolets de pulvérisation industriels et ne nécessite pas de matériaux exotiques, la recherche pourrait éventuellement être commercialisée si une application utile peut être trouvée. En plus d'améliorer les performances de base de la batterie (cycles de charge, capacité, sécurité), les coûts doivent également être estimés.

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