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Microbatteries assemblées par virus
À mesure que les appareils électroniques sont de plus en plus petits, la demande pour des sources d'alimentation tout aussi minuscules augmente. Maintenant, les chercheurs du MIT ont signalé une avancée importante vers la construction de telles batteries microscopiques. Ils ont utilisé un virus pour assembler des anodes au-dessus de couches d'électrolyte – deux des trois principaux composants d'une batterie en fonctionnement – et les ont connectées à des surfaces collectrices de courant. Les composants, décrits cette semaine dans Actes de l'Académie nationale des sciences , ne mesurent que quatre micromètres de large et pourraient trouver une application dans les laboratoires sur une puce ou d'autres petits dispositifs médicaux, selon les chercheurs.
Emballage de puissance : Des chercheurs du MIT ont créé des microbatteries à base de virus imprimées sur quatre bandes de platine, vues en expansion vers la gauche. Deux rangées d'électrodes de batterie, trop petites pour être vues ici, sont alignées sur l'extrémité effilée de chaque bande de platine et recouvertes d'une feuille de lithium pour les tests électriques.
La construction de batteries microscopiques s'est avérée difficile dans le passé car la proportion de matériau électrochimiquement actif à l'intérieur d'une batterie diminue à mesure que sa taille est réduite. Une autre tendance en électronique consiste à modeler des dispositifs sur des surfaces flexibles ou incurvées, auxquelles les sources d'alimentation doivent pouvoir s'adapter. Les travaux du MIT suggèrent que de petites batteries fiables peuvent être à la fois fabriquées à l'échelle microscopique et intégrées sur une variété de surfaces.
La nouveauté de cette recherche est à la fois la taille [des électrodes de la batterie] et le processus que nous avons utilisé pour les positionner, dit Angèle Belcher , professeur de science des matériaux au MIT, qui a collaboré avec des collègues Yet-Ming Chiang et Paula Hammond sur le travail. Ils ont commencé par graver des colonnes de quatre micromètres de large et quelques micromètres de haut sur une surface à base de silicium pour créer efficacement un tampon. Ils ont ensuite déposé des couches alternées de deux polymères différents, qui ont servi d'électrolyte solide et de séparateur de batterie, au sommet de ces colonnes.
Ensuite, un virus appelé M13 , que les chercheurs ont utilisé dans des études d'auto-assemblage antérieures , a été utilisé pour fabriquer l'anode. Le virus est composé de protéines, qui peuvent être génétiquement modifiées pour réagir avec des substances particulières. Dans ce cas, il a généré des réseaux structurés de nanofils d'oxyde de cobalt au-dessus de l'électrolyte solide. Enfin, les électrodes assemblées ont été retournées et pressées sur de fines bandes de platine, qui ont été reliées à un contact en cuivre afin de collecter le courant de l'appareil.
Les chercheurs ont testé les performances de l'appareil à l'aide d'une couche de feuille de lithium et ont constaté que la qualité des électrodes est exactement la même qu'auparavant, explique Belcher, se référant aux démonstrations antérieures du groupe de plus grandes batteries assemblées par des virus. Elle ajoute que l'anode en oxyde de cobalt a une capacité de stockage de charge beaucoup plus élevée que les électrodes à base de carbone généralement utilisées dans les batteries lithium-ion, et qu'elle est stable tout au long de la charge et de la décharge. Il a également une densité de matière active plus élevée que les batteries conventionnelles.
D'autres avantages de l'assemblage de virus incluent le fonctionnement à température ambiante et un contrôle précis de la taille et de l'espacement des nanomatériaux, conduisant à des dispositifs uniformes et facilement reproductibles. Le prochain objectif des chercheurs est d'ajouter une cathode assemblée par un virus pour créer une batterie complète. Comme ils ont expérimenté différents matériaux et ont fabriqué des cathodes à plus grande échelle, Belcher dit qu'il est tout à fait possible d'incorporer des microcathodes dans la méthode d'impression. À l'avenir, ajoute-t-elle, ils travailleront sur des appareils à densité énergétique plus élevée et à créer des appareils biocompatibles.