Les batteries flexibles qui pourraient alimenter l’avenir des appareils intelligents et de la technologie grand public

Un jour prochain, les villes seront câblées avec des centaines de minuscules capteurs pour tout suivre, de la pollution au trafic en passant par la météo. Les boîtiers cellulaires 5G offriront un Internet sans fil ultra rapide capable de télécharger un film complet sur un téléphone en quelques secondes. Des capteurs portables avancés qui pourraient être tissés dans une chemise suivront votre démarche, votre fréquence cardiaque et même les produits chimiques dans votre sueur.

Il n’y a qu’une seule chose qui retient la réalisation de cet avenir : la batterie.

“La technologie est sur le point d’être prête, c’est juste la source d’alimentation qui n’est pas encore là”, Shirley Meng, professeur de nanoingénierie et de science des matériaux à l’Université de Californie à San Diego, a déclaré au Daily Beast. “Pour quelque chose comme des capteurs portables, vous avez besoin de quelque chose qui est suffisamment flexible et sûr pour être porté directement sur votre corps dans une large gamme de températures.”

La technologie de batterie dominante pour les appareils grand public est le lithium-ion, que l’on trouve dans tout, des téléphones portables aux véhicules électriques. Alors que les batteries lithium-ion contiennent beaucoup de puissance dans un petit boîtier, elles reposent également sur un électrolyte liquide qui peut être inflammable en cas de surchauffe ou de détérioration. (Souvenez-vous de ceux qui explosent Téléphones Samsung?) Cela signifie un stockage soigneux et un boîtier rigide – pas vraiment propice pour une chemise de surveillance de la transpiration.

Cela amène certaines entreprises à envisager une nouvelle technologie de batterie si agile qu’elle peut être pliée et tordue, avec un processus de fabrication qui peut avoir lieu sur une presse de criblage de t-shirts plutôt que sur une gigafactory. Fabriquées en zinc, un métal plus courant que le lithium, ces piles peuvent être imprimées en autant de formes et de tailles que des autocollants.

Imprint Energy, basée à Alameda, est l’une des entreprises travaillant sur les batteries au zinc flexible à l’état solide. La co-fondatrice et PDG Christine Ho a commencé à travailler dans les batteries lithium-ion en tant qu’étudiante-chercheuse à l’Université de Californie à Berkeley, mais s’est rendu compte que le monde aurait besoin d’une alternative, une alternative qui ne dépende pas de l’exploitation minière en dehors des États-Unis. (Selon un Rapport de la Maison Blanchela Chine contrôle 60 % de la production mondiale de lithium.)

En janvier, Imprint a déployé un nouvelle conception de la batterie, ZinCore, qui contient 10 fois plus de puissance que les modèles précédents dans une cellule d’à peine un millimètre de large. Surtout, a déclaré Ho au Daily Beast, les batteries ont également une plage de température plus large. Alors que la plupart des batteries ralentissent considérablement au froid, la nouvelle version peut résister à des températures aussi basses que -35 degrés Celsius (-31 degrés Fahrenheit), ce qui signifie qu’elle peut être utilisée pour suivre et tracer les produits qui doivent être réfrigérés, comme les vaccins COVID.

Ho a comparé la fabrication des batteries à la “saleté d’emballage”, en raison de la fréquence des composants. “La majorité des composants de nos batteries sont en vitamines”, a-t-elle déclaré.

Et sans coque rigide, ces batteries peuvent être rétrécies, pliées et tordues pour s’adapter à toutes sortes de petits appareils. Imprint vise actuellement deux marchés majeurs. Ils peuvent être utilisés pour alimenter les cellules 5G et les capteurs de l’Internet des objets (IoT) pour les villes intelligentes. Imprint travaille également avec des compagnies maritimes sur des étiquettes intelligentes, qui pourraient envoyer un signal de localisation pour des produits de valeur ou surveiller la température sur des articles sensibles comme les fruits de mer ou la crème glacée. Au milieu des inquiétudes concernant la sécurité des élections, a noté Ho, les étiquettes intelligentes sur les envois de bulletins de vote en papier alimentés par une batterie ultra-mince pourraient offrir la tranquillité d’esprit.

“Les piles sont souvent le plus gros élément immobilier sur une étiquette intelligente”, a déclaré Ho. “Le nôtre peut être presque invisible parce qu’il est si petit.” Mais les ambitions d’Imprint ne se limitent pas à rester miniatures.

“Notre mission ultime est de devenir de facto l’alternative verte, durable et sûre au lithium-ion”, a-t-il déclaré. « Cela pourrait être conçu pour des applications à grande échelle. Quelqu’un pourrait concevoir cela dans des téléphones portables, mettre des batteries dans des murs, les mettre dans de très grandes structures qui n’ont jamais été alimentées auparavant.

Les piles au zinc étaient autrefois considérées comme une technologie dépassée. Parce qu’ils ne pouvaient pas être facilement rechargés mais que les composants étaient bon marché, ils étaient principalement utilisés comme sources d’alimentation d’élimination. La plupart des consommateurs les ont rencontrés dans des aides auditives, où ils pourraient facilement être jetés. Maintenant, les batteries au zinc sont “chaudes”, a déclaré Chunsheng Wang, directeur du Centre de recherche sur les batteries extrêmes de l’Université du Maryland.

Contrairement au lithium-ion, qui repose sur des minéraux rares et comporte des risques importants pour la sécurité, les batteries au zinc sont “intrinsèquement sûres et disponibles”, a déclaré Wang. L’inconvénient majeur, cependant, a été dans la recharge. Lorsque les batteries au zinc traditionnelles sont inversées pour aspirer et stocker de l’énergie, le zinc peut s’accumuler à certains endroits où l’électricité est la plus intense sur l’anode, formant des dendrites qui provoquent éventuellement un court-circuit des cellules. Bien que les limitations varient en fonction de la chimie et de la conception, les batteries ne peuvent généralement pas dépasser quelques centaines de cycles.

Des chercheurs, dont Wang, ont travaillé sur la modification de l’électrolyte pour réduire ces dommages et permettre une recharge plus rapide. Une étude de l’Université de Hanyang en République de Corée ont fait état d’une cellule zinc-air haute performance qui est restée stable sur 30 000 cycles.

Les applications, disent les propulseurs, pourraient être généralisées en raison de la flexibilité de la technologie. Le stockage de l’énergie pour la production d’énergie renouvelable est prometteur comme alternative aux grands projets lithium-ion. Des entreprises comme Zinc8 adaptent les batteries zinc-air pour le stockage d’énergie à grande échelle qui pourrait alimenter le réseau électrique ; l’entreprise a récemment annoncé un projet pilote dans un complexe d’appartements du Queens, à la suite d’une pilote à l’Université de Buffalo en 2021.

Cependant, les avantages de la chimie les font également fonctionner à petite échelle. Le laboratoire UCSD de Meng a travaillé avec la société de piles pour appareils auditifs ZPower (maintenant renommée Énergie anti-émeute) sur des batteries à l’argent-oxyde de zinc dont les composants pouvaient tous être essentiellement condensés sous forme d’encre. Ils pourraient ensuite être sérigraphiés sur des films minces avec une électrode prise en sandwich pour créer une batterie de moins de 1 millimètre d’épaisseur. Selon un Article 2020 publié dans Joulecette batterie produisait au moins cinq fois la puissance d’une batterie lithium-ion de même taille, même si la recharge était encore limitée.

De plus, les avantages chimiques qui rendent le zinc plus sûr facilitent également la production de masse. “L’ion lithium ne tolère aucune eau dans le processus de fabrication et a besoin de ce très bon boîtier”, a expliqué Meng. « Pour nous, c’est beaucoup plus facile de fabriquer à l’air libre. Vous n’avez pas besoin de construire une pièce sèche.

Cela ouvre la porte à de nombreuses opportunités, avec des batteries qui peuvent être imprimées en masse avec des barils d’encre, de toutes formes et tailles.

“Le premier obstacle majeur est le changement de mentalité”, a déclaré Meng. «Avec toutes les recherches sur les batteries au lithium, très peu de progrès ont été réalisés sur le zinc. Les gens pensent que la chimie du zinc est terminée. C’est tellement mal.

Ho d’Imprint a déclaré que l’entreprise annoncera bientôt un partenaire de fabrication, en s’appuyant sur le travail de sérigraphie existant de l’entreprise avec un œil sur la flexibilité. “Il n’y aura pas de pile AA pour les appareils IoT”, a-t-elle déclaré, ce qui signifie que la possibilité de changer la taille, la forme et l’indice de puissance sur une base quotidienne, voire horaire, peut ouvrir de nouveaux marchés.

« Nous sommes approchés tout le temps pour toutes les applications possibles, des lentilles de contact aux déploiements massifs à l’échelle d’un bâtiment. Et beaucoup d’entre eux sont potentiellement en train de changer la terre ou de changer la vie », a déclaré Ho. “Je repense à l’époque où le lithium-ion a été introduit il y a 45 ans pour voir comment il s’est maintenant répandu dans les véhicules et l’électronique grand public. Je pense qu’un voyage similaire se produira avec cette chimie.

Leave a Comment