Des chercheurs en électronique flexible développent une batterie lithium-ion entièrement extensible

Lorsque vous pensez à une batterie, vous ne pensez probablement pas à un matériau extensible. Mais les batteries auront besoin de cette qualité de changement de forme pour être incorporées dans des composants électroniques flexibles, qui gagnent du terrain pour les moniteurs de santé portables. Lettres d’ACS Energy rapporte une batterie lithium-ion avec des composants entièrement extensibles, y compris une couche d’électrolyte qui peut s’étendre de 5 000 %, 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 nécessitent des batteries aux propriétés similaires. La plupart des chercheurs qui ont tenté de construire de telles batteries les ont créées à partir de tissu conducteur tissé ou de composants rigides pliés en formes extensibles, à la manière de l’origami. Mais pour une batterie vraiment malléable, chaque pièce (les électrodes qui collectent la charge et la couche électrolytique intermédiaire qui équilibre la charge) doit être élastique. Jusqu’à présent, les prototypes de batteries vraiment extensibles ont 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.

Ce dernier peut être dû 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. Ainsi, plutôt que d’utiliser un liquide, Wen-Yong Lai et ses collègues ont voulu incorporer l’électrolyte dans une couche de polymère fusionnée entre deux films d’électrodes flexibles, pour créer une batterie complètement solide et extensible.

Pour fabriquer les électrodes de la batterie entièrement élastique, l’équipe a étalé sur une plaque une fine couche 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 pour fabriquer un polymère extensible.

Une fois activés par la lumière, ces composants se combinent pour former une couche solide et caoutchouteuse capable de s’étirer jusqu’à 5 000 % de sa longueur d’origine 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 un revêtement protecteur.

En comparant la conception de la batterie solide extensible à un appareil similaire avec 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, avec une 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 et entièrement extensibles pourrait constituer une avancée prometteuse pour les dispositifs portables ou implantables qui fléchissent et bougent avec le corps.