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Bientôt des batteries en papier ?

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Une simple feuille de papier peut devenir un excellent conducteur d'électricité une fois enduite d'une solution de nanotubes de carbone et de nanofils d'argent. Simple et bon marché, le procédé, expliquent ses découvreurs américains, peut servir à réaliser des batteries ou des supercondensateurs de grandes capacités.

La lampe (une Led) s'allume, alimentée par de l'électricité emmagasinée dans du papier enduit de nanotubes de carbone. (Extrait de la vidéo de la Stanford University. © Jack Hubbard/Stanford University

Les recherches sur les batteries souples vont bon train et deux familles de matériaux ont été retenues par plusieurs laboratoires, les polymères organiques et la cellulose, en d'autres termes le plastique et le papier. Il y a deux ans, l'Institut polytechnique de Troy avait déjà montré une batterie en papier. Sur l'une des faces de la feuille, des nanotubes de carbone -  conducteurs - venaient s'agréger sur les fibres de cellulose - résistantes. L'autre face était imprégnée de lithium tandis que le papier est imbibé d'une solution saline.

Une équipe suédoise a montré cette année un prototype de batterie ultra-plate mêlant plastique (du polypyrrole) et fibres de cellulose. A l'Institut Fraunhofer, en Allemagne, des chercheurs peaufinent une batterie imprimable...

Dans cette saga à rebondissements, le dernier épisode vient des Etats-Unis. A la Stanford University, une équipe vient de réussir à mettre au point une sorte d'encre capable de rendre conductrice l'une des faces d'une feuille de papier. Cette décoction, noire comme de l'encre de Chine, contient des nanotubes de carbone et des nanofils d'argent.
Ces minuscules structures, monodimensionnelles, s'accrochent naturellement aux fibres de cellulose, comme l'explique Yi Cui, l'un des co-auteurs de l'étude, publiée dans les Pnas.

Le résultat est une conductivité élevée sur la face ainsi traitée. Les chercheurs indiquent plus précisément la résistance superficielle, qui descend à 1 ohm / carré. Cette unité (en fait des ohms) désigne la résistance d'une surface mesurée entre deux électrodes appliquées sur elle (voir une explication en anglais au bas de cet article).

Bing Hu prépare une batterie en déposant une encre sur du papier ordinaire, laquelle fixera les nanotubes de carbone sur les fibres de cellulose. La surface pourra ainsi être chargée en électricité. © L.A. Cicero/Stanford University

Pour les voitures et les éoliennes ?

Une fois cette surface obtenue, on peut réaliser une batterie en chargeant électriquement ses deux faces. L'équipe avait déjà testé ces nanostructures pour réaliser des batteries mais en utilisant un support plastique. Le papier, finalement, s'est révélé bien meilleur, sur tous les plans. « Vous pouvez froisser ou plier le papier, explique Yi Cui dans le communiqué de l'université Stanford, et même le tremper dans une solution acide ou basique sans dégrader les performances. »

Les auteurs indiquent une énergie spécifique de 30 à 47 watts-heures par kilogramme (Wh/kg). Elle mesure la quantité d'énergie stockée par unité de masse. Honorable, cette valeur s'approche de celle des batteries NiMh (Nickel-Hydrures métalliques) mais la performance reste largement en deçà des batteries au lithium (plus de 100 Wh/kg voire beaucoup plus). Encore faut-il baisser considérablement cette valeur. En effet, si l'on compte l'ensemble de tous les éléments nécessaires pour réaliser une batterie, l'énergie spécifique globale des prototypes réalisés n'est plus que de 7,5 Wh/kg.

En revanche, le nombre de cycles de charges et de décharges que cette batterie est capable de supporter sans faillir serait de 40.000, soit beaucoup plus que les batteries au NiMH ou au lithium qui peinent à atteindre le millier. Les auteurs imaginent de nombreuses applications pour ce procédé simple et bon marché. Ce papier conducteur remplacerait avantageusement les composants métalliques servant de collecteur à l'intérieur d'une batterie lithium-ion.

Leur papier, de plus, conviendrait bien pour réaliser des supercondensateurs, ces intermédiaires entre un condensateur (qui tient la charge peu de temps mais peut libérer rapidement une énergie élevée) et une batterie (qui retient longtemps la charge mais ne la délivre qu'avec parcimonie).

Ces caractéristiques, à commencer par son coût très bas, feraient de la batterie en papier un bon candidat pour la voiture électrique, expliquent les membres de l'équipe. Bien pliée, elle pourrait enfermer une grande surface et se glisser dans le volume complexe de l'automobile. Les auteurs voient aussi la possibilité du stockage massif d'électricité à courte période lorsqu'elle est produite irrégulièrement par des éoliennes (quand il y a du vent) ou des cellules photovoltaïques (le jour). Des « réseaux intelligents » doivent alors conserver l'électricité durant quelques heures ou quelques jours pour la relâcher au besoin.

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