De la cellulose, des nanotubes de carbone, du lithium et un peu de sel : la recette est simple, bon marché et facile à réussir. Ce petit mélange s'auto-organise de lui-même, se solidifie en un film résistant et souple pour devenir, au choix, une batterie ou un condensateur ! Applications : du pace-maker aux petits appareils électroniques.
Pour fabriquer une batterie souple, des scientifiques ont eu l'idée d'utiliser... du papier. Après tout, ce matériau est connu depuis des temps lointains comme un bon diélectrique (c'est-à-dire un isolant) pour les condensateurs. L'astuce de l'équipe de l'Institut polytechnique de Troy (Etat de New-York), menée par le chimiste Robert Linhardt, a consisté à diluer la cellulose (le composant principal du papier) dans une solution saline puis à ajouter une décoction de nanotubes de carbone.
D'elles-mêmes, ces structures microscopiques s'accumulent au fond de la solution. Après séchage, le résultat est un petit morceau de papier blanc d'un côté et noirci sur l'autre face par les nanotubes (composés de carbone pur). Les chercheurs imbibent alors le papier avec un sel de lithium, qui joue le rôle de l'électrolyte. Du lithium est ensuite déposé sur la feuille, du côté blanc. Cette surface métallisée devient l'électrode positive tandis que la couche de nanotubes fait office d'électrode négative. On obtient l'équivalent d'une batterie lithium-ion.
Par gramme de papier, cette batterie délivre 10 milliampères sous 2 volts (les auteurs n'indiquent pas l'énergie spécifique, que l'on mesure en Wh/kg, watts.heures par kilogramme). Le prototype a pu alimenter un petit ventilateur et une diode électroluminescente. Pour en obtenir davantage, il suffirait d'empiler plusieurs épaisseurs (ce que l'on fait dans une pile électrique et dans un accumulateur). Tolérante à la température, cette batterie fonctionne entre -70 et + 150°C.
Du vrai papier
La structure est complètement originale par rapport à une batterie actuelle : il ne s'agit pas d'un assemblage de différents composants mais d'éléments qui s'auto-organisent. « Notre dispositif est totalement intégré, commente Robert Linhardt. Les composants sont chimiquement associés : les nanotubes de carbone sont inclus dans le papier et l'électrolyte est déposé dessus. Le résultat final est quelque chose qui a l'apparence et le toucher du papier ».
Economique et légère, la cellulose - qui compose 90 % de la batterie - est aussi biocompatible, ce qui pourrait intéresser la médecine. « C'est une manière de réaliser des petits dispositifs, comme des pace-makers, en évitant d'introduire des matériaux toxiques dans l'organisme » explique Victor Pushparaj, l'un des auteurs.
Il reste encore à mettre au point un procédé de fabrication industrielle. Lorsque ce sera fait, résume Pulickel M. Ajayan, lui aussi co-auteur, « nous serons capables d'imprimer des batteries et des condensateurs... ».