Des chercheurs des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux (EMPA) ont utilisé l’impression 3D pour créer une nouvelle classe durable de supercondensateurs.
La batterie entièrement imprimée en 3D, composée d’un substrat flexible de cellulose et de glycérol, à motifs d’encre conductrice chargée de carbone et de graphite, est capable de résister à des milliers de cycles de charge tout en maintenant sa capacité. Grâce à sa base biodégradable, la nouvelle cellule peut également être compostée une fois terminée, ce qui en fait potentiellement un outil idéal pour lutter contre les problèmes de déchets électroniques dans le monde.
À la recherche d’un « EDLC » durable
Selon les scientifiques de l’EMPA, le récent boom des applications portables électroniques, des emballages et de l’Internet des objets (IoT) a vu le nombre mondial de ces appareils atteindre 27 milliards. Cependant, étant donné leur cycle de vie court et le fait qu’ils ont tendance à être alimentés par des piles au lithium-ion ou alcalines non renouvelables, de nombreux produits de ce type finiront par être mis en décharge, aggravant le problème mondial des « déchets électroniques ».
Dans un effort pour développer des dispositifs de stockage d’énergie plus respectueux de l’environnement, les scientifiques ont donc commencé à expérimenter des condensateurs électriques à double couche, ou « EDLC ». Ces supercondensateurs de grande capacité et à charge rapide peuvent être fabriqués au moins partiellement à partir de matériaux biodégradables, ce qui en fait potentiellement un remplacement idéal pour les batteries normales, qui nécessitent souvent des services d’élimination spécialisés.
Bien qu’une quantité importante de recherche ait été consacrée à la R&D EDLC, leurs différentes pièces, telles que les électrodes et les collecteurs de courant, peuvent être difficiles à produire via un seul processus de fabrication. De plus, de nombreux prototypes d’EDLC sont tout au plus partiellement imprimés en 3D, ce qui nécessite leur assemblage ou leur post-traitement long et coûteux, ce qui les rend peu attrayants en tant qu’entreprises commerciales.
Un supercondensateur à la pointe de la technologie
Pour rationaliser la production EDLC et créer sa propre batterie respectueuse de l’environnement, l’équipe EMPA s’est tournée vers l’impression 3D DIW, qu’elle a utilisée pour fabriquer deux demi-cellules avant de les plier ensemble. Dans la pratique, cela signifiait d’abord imprimer la base du substrat de l’unité, puis déposer son électrode et les couches d’électrolyte conductrices infusées de graphite sur le dessus, dans un processus qui, après quelques ajustements, a donné une batterie fonctionnelle.
« Cela semble assez simple, mais ce n’était pas du tout », a déclaré Xavier Aeby du laboratoire Cellulose & Wood Materials de l’EMPA. « Il a fallu une longue série de tests jusqu’à ce que tous les paramètres soient corrects, jusqu’à ce que tous les composants sortent de manière fiable de l’imprimante et que le condensateur fonctionne. » Il a ajouté : « En tant que chercheurs, nous ne voulons pas seulement tripoter, nous voulons aussi comprendre ce qui se passe à l’intérieur de nos matériaux.
Une fois leur prototype de supercondensateur prêt, les scientifiques ont cherché à tester sa rétention de charge en le chargeant à 0,5 V, avant de mesurer sa tension à surface ouverte. Selon les chercheurs, leur appareil avait encore 30 % de sa charge après 150 heures, ce qui met ses performances « en ligne avec celles des supercondensateurs à base de carbone de pointe. »
Fait intéressant, les chercheurs ont découvert que la capacité de leur supercondensateur a également fluctué pendant deux semaines après la fabrication, puis s’est stabilisée, tandis qu’il est resté fonctionnel après huit mois de stockage, et lorsqu’ils ont terminé leurs expériences et tenté de le composter, ils ont pu se dissoudre. environ 50 % de sa masse en neuf semaines.
Au cours des tests, l’appareil de l’équipe était finalement capable d’alimenter un réveil 3V sous contrainte mécanique, ainsi que de fonctionner à des températures extrêmement variables. En conséquence, avec davantage de R&D, ils disent qu’il pourrait être déployé à plus grande échelle, pour alimenter de manière durable des appareils intelligents basse tension tels que ceux utilisés dans la surveillance environnementale, les textiles électroniques ou les applications de soins de santé.
Piles imprimées : prêtes pour le marché ?
Alors que les batteries imprimées en 3D restent à un stade de développement relativement précoce, il y a des signes prometteurs que la technologie progresse vers une utilisation finale. Anciennement connue sous le nom de KeraCel, la société renommée Sakuu Corporation a récemment annoncé son intention de lancer sa première imprimante 3D à batterie à semi-conducteurs (SSB) en 2022, qui produirait des cellules d’une capacité beaucoup plus élevée que les appareils Li-ion actuels.
Au Royaume-Uni, le fabricant d’imprimantes 3D Photocentric a créé une division interne de R&D sur les batteries, dans laquelle il tente de concevoir lui-même un nouveau périphérique de stockage économe en énergie. En réduisant la taille et le poids des électrodes de batterie, la société vise à terme à développer une unité mieux adaptée aux applications automobiles, et elle viserait une prochaine usine Tesla Giga avec sa création.
Dans le cadre de recherches similaires, bien que plus expérimentales, une équipe de l’Université de Manchester a développé une encre « MXene » imprimable en 3D et l’a utilisée pour produire des prototypes de supercondensateurs. Au cours des tests, les scientifiques ont déclaré que leurs électrodes fabriquées par additif démontraient à la fois la capacité élevée et la densité d’énergie nécessaires pour alimenter les voitures ou les téléphones portables du futur.
Les résultats des chercheurs sont détaillés dans leur article intitulé «Supercondensateurs en papier entièrement imprimés et jetables en 3D», qui a été co-écrit par Xavier Aeby, Alexandre Poulin, Gilberto Siqueira, Michael K. Hausmann et Gustav Nyström.
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L’image présentée montre le supercondensateur imprimé en 3D des chercheurs de l’EMPA. Photo via EMPA.
