Puissance à l’échelle micrométrique : une batterie conçue pour les plus petites machines

Les capteurs assez petits pour disparaître dans le corps, les microrobots qui se déplacent sans fil et les systèmes intelligents cachés dans les matériaux du quotidien : tous nécessitent une batterie pour fonctionner. Alors que l’électronique se réduit à l’échelle micrométrique, les batteries conventionnelles deviennent encombrantes, peu pratiques ou impossibles à intégrer dans ces dispositifs minuscules.

Pour combler cette lacune, Subhra Pattanayak, doctorante du laboratoire de T. N. Narayanan au Tata Institute of Fundamental Research, Hyderabad (Inde), en collaboration avec des chercheurs de University College London (Royaume-Uni) ont développé une batterie zinc-air micrométrique plane, dans laquelle la cathode et l’anode sont structurées sur un seul plan, créant ainsi une batterie plus fine qui peut être fabriquée directement sur une micropuce. Construit avec des électrodes entrelacées d’une largeur de 200 micromètres et fonctionnant dans un électrolyte gel sûr et quasi neutre, le dispositif offre des performances électrochimiques réelles et une cyclabilité à une échelle auparavant inaccessible.

La chimie zinc-air est bien adaptée aux dispositifs microscopiques car elle utilise l’oxygène de l’air ambiant, réduisant le besoin de réactifs stockés. Cependant, jusqu’à présent, il y avait très peu de démonstrations de véritables batteries zinc-air à l’échelle micrométrique basées sur des électrodes entrelacées et fonctionnant dans un électrolyte sûr et quasi neutre (à base de NH₄Cl, ZnCl₂). La plupart des conceptions existantes sont soit des batteries primaires, soit reposent sur des architectures empilées (qui prennent plus de place) et des électrolytes fortement alcalins, les rendant inadaptées aux applications biomédicales et à l’intégration sur puce.

Les chercheurs ont développé une micro-batterie zinc-air plane qui intègre des catalyseurs de cathode bifonctionnels, un électrolyte gel quasi neutre et des électrodes entrelacées de taille micrométrique. En tirant parti de l’électrodéposition et d’une microfabrication assistée par micro-plotter pour une couverture précise des matériaux, le dispositif délivre une énergie et une puissance élevées à des courants importants, alimentant même une LED et un thermomètre numérique. Cela démontre que les systèmes à l’échelle de la puce peuvent désormais héberger leur propre source d’alimentation embarquée, permettant des micro-dispositifs entièrement autonomes.

Cette percée est le fruit d’un partenariat entre deux institutions :

• TIFR Hyderabad (Inde) : chimie des catalyseurs, développement des matériaux, électrochimie.
• University College London (Royaume-Uni) : micro-fabrication, micro-plotting, ingénierie des dispositifs.

Comme toute première étape, des défis subsistent. Sur de longs cycles, l’anode et la cathode perdent progressivement du matériau, entraînant une baisse de capacité. Les recherches actuelles visent à ancrer les catalyseurs plus solidement, à développer un matériau de cathode bifonctionnel efficace et à supprimer les dendrites de zinc pour obtenir plus d’énergie surfacique et de puissance surfacique sur une plus longue période. Le succès ici permettrait le déploiement commercial de micro-batteries dans les wearables, les nœuds IoT, les capteurs implantables et la microrobotique flexible – remodelant potentiellement la façon, le lieu et l’échelle auxquels l’électronique peut fonctionner.

Article : Microscale Near-Neutral Zinc–Air Battery on Interdigitated Electrode Chips for High Current Operation – Journal : Small Methods – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : TATA institute