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Des batteries au zinc imprimables, ultrafines, souples et bon marché

Elle est bon marché, peu polluante, aussi fine que deux cheveux, souple au point qu’il est possible de la plier dans tous les sens et ultralégère : la batterie au zinc réalisée par la start-up américaine Imprint Energy cumule les avantages. En raison notamment de son faible prix, elle pourrait détrôner la technologie au lithium et provoquer l'abandon des petites piles bouton.

Issue d'une technique d’impression sur un support en  polymère souple, la batterie au zinc mise au point par Imprint Energy  est souple et n'est pas plus épaisse que deux cheveux superposés. Elle a  également l’avantage d’être très bon marché et non polluante. © Imprint  Energy Issue d'une technique d’impression sur un support en polymère souple, la batterie au zinc mise au point par Imprint Energy est souple et n'est pas plus épaisse que deux cheveux superposés. Elle a également l’avantage d’être très bon marché et non polluante. © Imprint Energy

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Avec leur taille réduite, les piles bouton au lithium-ion ont trouvé leur place dans la plupart des petits appareils électroniques, mais elles posent tout de même des contraintes de formes et notamment d'épaisseur. Depuis quelques années, les chercheurs ont trouvé le moyen, au moins au laboratoire, de remplacer ces piles bouton par des matériaux polymères souples imprimables. Ainsi, plusieurs prototypes au lithium-ion ont vu le jour.

Leur principe est le même que celui es modèles classiques : la batterie est composée de plusieurs strates ; une couche centrale enferme l’électrolyte ; de chaque côté de cette couche, on trouve les isolants ; les deux faces de la feuille forment les électrodes. Le tout ne fait souvent que quelques centimètres carrés pour une épaisseur inférieure à un millimètre. Mais ces technologies restent trop coûteuses pour être commercialisées.

En se basant sur cette technique, d’anciens étudiants de l’université de Berkeley, aux États-Unis, ont mis au point une batterie fonctionnant à partir de zinc au lieu de lithium. Il ne s’agit pas uniquement de concevoir des prototypes, puisque dès 2010, les chercheurs ont créé une société baptisée Imprint Energy afin de commercialiser leur invention.


Dans cette séquence vidéo, la société Thin Film Electronics présente un petit patch souple et fin intégrant à la fois, un capteur thermique, un écran d’affichage de la température, une petite mémoire réinscriptible. Le tout est alimenté par la batterie au zinc de la société Imprint Energy. © Thin Film Electronics

En remplaçant le lithium par du zinc, les avantages sont certains. Le lithium habituellement employé reste un matériau coûteux dont les ressources sont limitées. Il nécessite aussi d’être encapsulé car il réagit assez mal au contact de l’eau ou de l’air, ce qui n’est pas le cas du zinc. Lorsque la batterie n’est plus utilisable, le lithium est également très polluant. C’est pour ces raisons que les chercheurs se sont concentrés sur le zinc pour créer des batteries robustes et peu coûteuses. L’utilisation de ce métal n’a rien d’extraordinaire, puisque des batteries souples possédant une anode composée de zinc avaient déjà été développées par d’autres laboratoires. Toutefois, leur durée de vie était limitée. En effet, lors de l’opération de recharge, avec un électrolyte liquide, de petits cristaux de zinc s’accumulent au fil du temps : c’est ce que l’on appelle la dentrite. Cet agrégat finit même par empêcher la recharge de la batterie.

Le secret : un électrolyte solide

Pour éviter cela, les chercheurs ont employé un composant polymère solide combiné avec du zinc pour constituer l’électrolyte. Sur une face de cette dernière, on trouve une couche qui forme l’anode, conçue à partir de zinc. Sur l’autre face, il s’agit de la cathode en oxyde de métal. L’ensemble est flexible et très mince, puisque la batterie n’est pas plus épaisse que deux cheveux. Autre avantage : la batterie pourrait s'avérer très bon marché une fois industrialisée. On parle d'un coût inférieur à 25 centimes. Contrairement aux batteries souples au lithium, celle au zinc peut être utilisé sans enveloppe isolante, ce qui permet d’exploiter les atouts que lui confère sa finesse.

Cela fonctionne plutôt bien, puisque la batterie atteint sans souci les performances des batteries au lithium. En revanche, pour le moment, elle n’est capable de délivrer qu’une faible puissance, inférieure à 30 milliampères-heures (mAh). Malgré cela, la société a déjà trouvé plusieurs applications pour exploiter cette batterie. La firme s’est, en effet, associée à Thin Film Electronics, une entreprise scandinave qui a développé de son côté un minuscule patch électronique imprimé intégrant à la fois la batterie, un capteur thermique, un écran LCD et une mémoire. Le dispositif pourrait même inclure un minipanneau solaire pour la recharge.


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