Nano-impression 3D : vers une recharge ultra-rapide des batteries

Une équipe de recherche dirigée par le chimiste Dmitry Momotenko a mis au point une nouvelle technique d’impression 3D pour la fabrication d’objets métalliques ultrapetits. En utilisant cette technique, les chercheurs visent à augmenter considérablement la surface des électrodes des batteries afin de réduire drastiquement les temps de charge.

En moins d’une minute, la chimiste Liaisan Khasanova transforme un simple tube de verre de silice en buse d’impression pour une imprimante 3D très spéciale. « Un faisceau laser à l’intérieur de l’appareil chauffe le tube et le tire à part. Ensuite, nous augmentons soudainement la force de traction de sorte que le verre se brise au milieu et une pointe très tranchante se forme« , explique Khasanova, doctorante en chimie dans le groupe de Nanotechnologie Electrochimique.

Ils ont besoin de ces buses minuscules pour imprimer d’incroyablement petites structures métalliques tridimensionnelles. « Nous essayons de pousser l’impression 3D à ses limites technologiques« , déclare le Dr Dmitry Momotenko, qui dirige le groupe de recherche junior à l’Institut de Chimie. Son objectif : « Nous voulons assembler des objets atome par atome. »

« Les métaux sont la solution parfaite« , affirme-t-il. Il envisage de nombreuses applications pour les objets métalliques, notamment dans des domaines tels que la microélectronique, la nanorobotique, la technologie des capteurs et des batteries : « Des matériaux électroconducteurs sont nécessaires pour toutes sortes d’applications dans ces domaines, donc les métaux sont la solution parfaite.« 

Cependant, transférer cela à l’échelle nanoscopique nécessite beaucoup d’ingéniosité, d’effort et de soin. Pour empêcher les vibrations indésirables de perturber le processus d’impression, deux des imprimantes sont logées dans des boîtes recouvertes d’une épaisse couche de mousse acoustique foncée et reposent sur des plaques de granit pesant chacune 150 kilogrammes.

Par ailleurs, Liaisan Khasanova a tout préparé pour une impression test. Que va-t-elle imprimer ? « Juste quelques colonnes« , répond-elle. Les colonnes sont les formes géométriques les plus simples générées en impression 3D, mais les chercheurs d’Oldenburg peuvent également imprimer des spirales, des anneaux et toutes sortes de structures en porte-à-faux.

Les plans de Momotenko pour sa technique de nano-impression sont également assez étonnants : son objectif est de poser les bases pour des batteries qui peuvent être chargées mille fois plus rapidement que les modèles actuels. « Si cela peut être réalisé, vous pourriez charger une voiture électrique en quelques secondes« , explique-t-il.

L’idée principale qu’il poursuit est déjà vieille de 20 ans. Le principe est de raccourcir considérablement les trajets des ions à l’intérieur de la batterie pendant le processus de charge. Pour ce faire, les électrodes, qui sont actuellement plates, devraient avoir une structure de surface tridimensionnelle.

Momotenko a relevé ce défi. Dans son projet NANO-3D-LION, qui est financé par une bourse de démarrage du Conseil Européen de la Recherche attribuée en mars 2021, l’objectif est de développer et d’employer des techniques d’impression 3D nanométriques avancées pour fabriquer des matériaux de batterie actifs avec des caractéristiques structurelles ultrapetites.

Le chimiste travaille également sur d’autres concepts audacieux. Il souhaite utiliser sa technique d’impression pour produire des structures métalliques qui permettent un contrôle plus ciblé des réactions chimiques qu’auparavant. Il espère également fabriquer des capteurs capables de détecter des molécules individuelles. « Cela serait utile en médecine, pour détecter des marqueurs de tumeurs ou des biomarqueurs d’Alzheimer à des concentrations extrêmement faibles, par exemple« , dit Momotenko.

Toutes ces idées sont encore très nouvelles en chimie. « Il n’est pas encore clair comment tout cela fonctionnerait« , admet-il. Mais c’est ainsi en science : « Chaque projet de recherche significatif nécessite une longue réflexion et une planification, et la plupart des idées échouent à la fin« , conclut-il avec un sourire. Mais parfois, elles réussissent – et lui et son équipe ont déjà franchi les premiers pas réussis dans leur voyage.

Légende illustration / Une imprimante 3D d’un genre très particulier : Simon Sprengel, étudiant en master, procède aux derniers ajustements pour permettre à deux solutions métalliques de s’écouler simultanément à travers la minuscule buse d’impression. Photo : UOL/Daniel Schmidt