Les batteries semblent très simples à première vue. En général, leur fabrication est presque toujours la même : une cathode et une anode sont séparées par un électrolyte ; une structure qui permet aux électrons de circuler et d’être stockés. Le bémol c’est que, non seulement la plupart des batteries modernes sont cylindriques, mais leur fabrication nécessite de plus en plus souvent plusieurs enjeux, car les batteries servent de plus en plus de multiples applications.
L’une des dernières applications que les experts veulent démocratiser est l’utilisation de batteries dans les dispositifs portables. Une recherche des ingénieurs du MIT dans ce domaine a vu le développement d’une batterie lithium-ion rechargeable sous la forme d’une fibre ultra-longue qui pourrait être tissée dans des tissus.
Cette batterie pourrait permettre de fabriquer une grande variété d’appareils électroniques portables, et pourrait même être utilisée pour fabriquer des batteries imprimées en 3D dans pratiquement n’importe quelle forme, disent-ils. Le projet nécessitait d’explorer de nouvelles possibilités pour des appareils de communication, de détection et de calcul auto-alimentés qui pourraient être portés comme des vêtements ordinaires, ainsi que des appareils dont les batteries pourraient également servir de pièces structurelles.
Avant cette recherche, il avait été démontré que les fibres contiennent une grande variété de composants électroniques, notamment des diodes électroluminescentes (DEL), des photocapteurs, des communications et des systèmes numériques. Nombre d’entre eux sont tissables et lavables, ce qui les rend pratiques à utiliser dans des produits portables, mais tous dépendaient jusqu’à présent d’une source d’énergie externe. Désormais, cette batterie en fibre, qui est également tissable et lavable, pourrait permettre à ces dispositifs d’être complètement autonomes.
La nouvelle batterie en fibre est fabriquée à l’aide de nouveaux gels de batterie et d’un système standard d’étirage de la fibre qui commence par un cylindre plus grand contenant tous les composants, puis le chauffe juste en dessous de son point de fusion. Le matériau est tiré à travers une ouverture étroite pour comprimer toutes les pièces à une fraction de leur diamètre d’origine, tout en conservant la disposition originale des pièces.
Alors que d’autres ont tenté de fabriquer des batteries sous forme de fibres, Khudiyev explique que celles-ci étaient structurées avec des matériaux clés à l’extérieur de la fibre, alors que ce système intègre le lithium et d’autres matériaux à l’intérieur de la fibre, avec un revêtement extérieur protecteur, ce qui rend directement cette version stable et étanche. Il s’agit de la première démonstration d’une batterie en fibre d’une longueur inférieure au kilomètre, qui est à la fois suffisamment longue et très durable pour avoir des applications pratiques, dit-il. (Tural Khudiyev est un postdoc du MIT et l’un des principaux auteurs de cette recherche).
Le fait qu’ils aient réussi à fabriquer une batterie en fibre de 140 mètres montre qu’« il n’y a pas de limite supérieure évidente à la longueur. Nous pourrions sans aucun doute atteindre une longueur de l’ordre du kilomètre« , déclare-t-il. Un dispositif de démonstration utilisant la nouvelle batterie en fibre incorporait un système de communication « Li-Fi », dans lequel des impulsions lumineuses sont utilisées pour transmettre des données, et comprenait un microphone, un préampli, un transistor et des diodes pour établir une liaison de données optique entre deux dispositifs en tissu.
« Lorsque nous incorporons les matériaux actifs à l’intérieur de la fibre, cela signifie que les composants sensibles de la batterie ont déjà une bonne étanchéité« , explique Khudiyev, « et tous les matériaux actifs sont très bien intégrés, de sorte qu’ils ne changent pas de position » pendant le processus d’étirage. En outre, la batterie en fibre qui en résulte est beaucoup plus fine et plus flexible, avec un rapport d’aspect, c’est-à-dire la fraction de la longueur par rapport à la largeur, pouvant aller jusqu’à un million, ce qui est bien au-delà des autres conceptions, ce qui permet d’utiliser des équipements de tissage standard pour créer des tissus qui incorporent les batteries ainsi que des systèmes électroniques.
La fibre de 140 mètres produite jusqu’à présent a une capacité de stockage d’énergie de 123 milliampères-heure, ce qui permet de charger des montres intelligentes ou des téléphones, dit-il. Le dispositif en fibre n’a que quelques centaines de microns d’épaisseur, ce qui est plus fin que toutes les tentatives précédentes de produire des batteries sous forme de fibre.
Outre les fibres unidimensionnelles individuelles, qui peuvent être tissées pour produire des tissus bidimensionnels, le matériau peut également être utilisé dans des systèmes d’impression 3D ou de forme personnalisée pour créer des objets solides, tels que des boîtiers qui pourraient fournir à la fois la structure d’un appareil et sa source d’énergie. Pour démontrer cette capacité, un sous-marin jouet a été enveloppé avec la fibre de batterie pour lui fournir de l’énergie. L’incorporation de la source d’énergie dans la structure de ces dispositifs pourrait en réduire le poids total et ainsi améliorer l’efficacité et la portée qu’ils peuvent atteindre.
« Il s’agit de la première impression 3D d’un dispositif de batterie en fibre« , explique Khudiyev. « Si l’on veut fabriquer des objets complexes par impression 3D qui intègrent un dispositif de batterie, c’est le premier système qui permet d’y parvenir. « Après l’impression, vous n’avez pas besoin d’ajouter quoi que ce soit d’autre, car tout est déjà à l’intérieur de la fibre, tous les métaux, tous les matériaux actifs. Il s’agit simplement d’une impression en une seule étape. C’est une première. »
L’équipe a déjà déposé un brevet sur le procédé et continue de développer d’autres améliorations de la capacité de puissance et des variations sur les matériaux utilisés pour améliorer l’efficacité. Selon Khudiyev, de telles batteries en fibre pourraient être prêtes à être utilisées dans des produits commerciaux d’ici quelques années.
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