Les batteries imprimées en 3D gèrent la pression

Alors que les technologies électroniques flexibles et extensibles ont progressé à pas de géant au cours des 10 dernières années, les batteries pour les alimenter ont du rattrapage à faire. Des chercheurs à Singapour et en Chine ont maintenant démontré une batterie « quasi-solide » – fabriquée à partir de matériaux situés entre un liquide et un solide – qui peut être compressée jusqu’à 60% tout en maintenant une densité d’énergie élevée et une bonne stabilité à plus de 10 000 charges –Les cycles de recharge. La fabrication des batteries exploite l’impression 3D, qui, tout en suscitant un intérêt pour la production de structures de batteries complexes, a posé des défis aux batteries qui peuvent s’étirer, s’écraser et se plier lors de l’alimentation des appareils.

«La technologie d’impression 3D est un domaine qui se développe très rapidement», explique Hui Ying Yang, chercheur en science des matériaux à l’Université de technologie et de design de Singapour, qui a dirigé les recherches signalées dans ACS Nano. Elle explique que cela l’a incitée, elle et ses collègues, à appliquer la technologie à leurs recherches sur les batteries pour un prototypage rapide, leur permettant « de produire des électrodes de batterie avec n’importe quelle forme, couches et motifs arbitraires ».

L’intrigue se corse

Les flocons d’oxyde de graphène (GO) dans les solutions aqueuses ont été un matériau «d’encre» populaire car ils font des dispersions stables et leurs propriétés rhéologiques (comment elles s’écoulent et se déforment) peuvent être ajustées dans une certaine mesure. Cependant, des additifs tels que les ions calcium, les nanotubes de carbone et les nanofibres de cellulose sont nécessaires pour obtenir un aérogel GO avec le type de viscosité avec lequel une imprimante 3D peut fonctionner. La recherche dans ce sens a conduit à des structures ultra-légères imprimées en 3D de GO réduit (c’est-à-dire traitées pour éliminer l’oxygène afin que le matériau ressemble davantage au graphène) avec une grande conductivité et compressibilité. Mais les structures nano-carbone seules ne stockent pas d’énergie électrochimique, et l’ajout d’additifs électrochimiquement actifs à l’encre d’impression pour fabriquer une batterie entraîne alors des problèmes avec les propriétés rhéologiques de l’encre.

Au lieu de cela, Yang et ses collègues ont imprimé leur aérogel de nanocarbone, puis déposé des nanomatériaux à base de fer et de nickel électrochimiquement actifs sur la structure imprimée. Pour atteindre la viscosité souhaitée de l’encre d’impression, ils ont mélangé des flocons GO avec des nanotubes de carbone (NTC). Ils ont ensuite immergé les structures de réseau imprimées dans un mélange d’ammoniac et de sulfates, y compris le sulfate de nickel, ce qui a conduit à la formation de Ni (OH)₂ nanoflocons sur la structure. Lorsqu’ils ont traité le réseau de nanocarbones avec du nitrate de fer et du chlorure de fer, αFe poreux₂O₃ des matrices de nanotiges se sont développées à la place du réseau.

Jouer en un rien de temps

Les batteries quasi-solides au nickel-fer ont déjà suscité l’intérêt en raison d’un certain nombre d’attributs souhaitables, notamment un faible coût, une cyclabilité élevée et une bonne stabilité mécanique. Yang et ses collaborateurs ont étudié les performances rhéologiques et électrochimiques du Ni (OH)₂ et αFe₂O₃ des structures de nanocarbone chargées, en ajustant les dimensions de la structure et en utilisant soit un liquide aqueux, soit de l’hydroxyde de potassium en gel de polymère comme électrolyte. Ils ont pu démontrer une batterie qui pouvait être compressée à 60% et conserver une excellente stabilité de cyclage (~ 91,3% de rétention de capacité après 10 000 cycles de charge-décharge) et une densité d’énergie ultra-élevée (28,1 mWh cm^-3 à une puissance de 10,6 mW cm^-3). En connectant quatre appareils en série, ils ont montré que les appareils pouvaient allumer une LED bleue.

« Notre stratégie de synthèse fournit non seulement une méthode efficace pour la fabrication de batteries compressibles par impression 3D, mais elle promeut également les futures applications de dispositifs électroniques flexibles / portables tolérants aux contraintes », explique Yang. Pourtant, alors que l’impression de la batterie est facilement évolutive, la densité d’énergie ne rivalise pas actuellement avec les appareils commerciaux (non compressibles). « Ensuite, nous étudierons plus avant les batteries rechargeables aqueuses imprimées en 3D avec une haute densité d’énergie et des plates-formes à décharge élevée, telles que les batteries Zn-air, etc. », a déclaré Yang.

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