Le développement rapide de l’électronique flexible et « wearable » ont donné naissance à de nombreuses applications innovantes, qu’il s’agisse de montres intelligentes et d’écrans flexibles (tels que les smartphones, les tablettes et les téléviseurs), de tissus et de verres intelligents, de patchs transdermiques, de capteurs, etc.
La demande de batteries flexibles haute performance a augmenté en conséquence. Toutefois, les chercheurs ont eu des difficultés à obtenir simultanément une bonne flexibilité et une densité énergétique élevée dans les batteries lithium-ion.
L’équipe dirigée par Yuan Yang, professeur adjoint de science des matériaux et d’ingénierie au département de physique appliquée et de mathématiques de Columbia Engineering, a mis au point un prototype qui relève ce défi : une batterie Li-ion en forme de colonne vertébrale humaine qui autorise une flexibilité remarquable, une densité d’énergie élevée et une tension stable, quelle que soit sa flexion ou sa torsion. L’étude a été publiée dans Advanced Materials.
« La densité d’énergie de notre prototype est l’une des plus élevées jamais rapportées« , a précisé le Pr. Yang. « Nous avons mis au point une approche simple et évolutive pour fabriquer une batterie au lithium-ion souple de type colonne vertébrale qui possède d’excellentes propriétés électrochimiques et mécaniques. Notre modèle est un candidat très prometteur en tant que batterie lithium-ion de première génération, flexible et commerciale. Nous sommes en train d’optimiser le design et d’améliorer ses performances. »
Yang a été inspiré par la souplesse de la colonne vertébrale lors des phases d’étirements dans un gymnase. La colonne vertébrale humaine est hautement flexible et déformable, ainsi que mécaniquement robuste, car elle contient des composants de moelle molle qui interconnectent les parties vertébrales dures. Le professeur a utilisé le design de la colonne vertébrale pour concevoir une batterie avec une structure similaire. Son prototype a un segment épais et rigide qui emmagasine l’énergie en enroulant les électrodes (« vertèbres ») autour d’une partie mince et flexible (« moelle »), reliant les piles d’électrodes en forme de vertèbres. Sa conception offre une excellente flexibilité pour l’ensemble de la batterie.
« Comme le volume de l’électrode rigide est nettement plus important que celui de l’interconnexion flexible, la densité énergétique d’une telle batterie peut être supérieure à 85 % de celle d’une batterie dans un emballage commercial standard« , explique Yang. « En raison de la proportion élevée de matières actives dans l’ensemble de la structure, notre batterie en forme de colonne vertébrale présente une densité d’énergie très élevée, plus élevée que tout autres dispositifs connus. La batterie a également survécu avec succès à un rude test de charge mécanique dynamique grâce à notre conception rationnelle d’inspiration biologique. »
L’équipe du professeur Yang a découpé les piles anode/séparateur/cathode/séparateur conventionnel en longues bandes avec de multiples « branches » s’étendant sur 90 degrés à partir de la « colonne vertébrale« . Ensuite, ils ont enveloppé chaque branche autour de la colonne vertébrale pour former d’épaisses piles capables de stocker l’énergie, comme des vertèbres. Grâce à cette conception intégrée, la densité énergétique de la batterie n’est limitée que par le pourcentage longitudinal des batteries vertébrales par rapport à la longueur totale de l’appareil, qui peut facilement atteindre plus de 90%.
La capacité de la batterie est stable à l’utilisation, et adopte un profil de tension stable quelle que soit sa flexion ou sa torsion. Après un cycle, l’équipe a démonté la batterie pour examiner le changement morphologique des matériaux des électrodes. Ils ont découvert que l’électrode « positive » était intacte et qu’il n’ y avait pas de fissuration ou de décollement évident du papier d’aluminium, ce qui confirme la stabilité mécanique de leur conception. Pour illustrer davantage la flexibilité de leur conception, les chercheurs ont continuellement fléchi ou tordu la batterie pendant la décharge, constatant que ni la flexion ni la torsion n’ont interrompu la courbe de tension. Même lorsque la cellule était continuellement fléchie et tordue pendant toute la décharge, le profil de tension restait inchangé. La batterie à l’état fléchi a également fonctionné à des densités de courant plus élevées, et la capacité de rétention était assez élevée (84% à 3C, la charge en 1/3 d’heure). La batterie a également survécu à un essai de charge mécanique dynamique continue, rarement mentionné dans des études antérieures.
« Notre conception en forme de colonne vertébrale est beaucoup plus robuste sur le plan mécanique que les conceptions conventionnelles« , explique Yang. « Nous prévoyons que notre méthode évolutive et bio-inspirée pour fabriquer des batteries Li-ion flexibles pourrait faire progresser la commercialisation de dispositifs flexibles. »
Credit photo : Yuan Yang/Columbia Engineering
