Des scientifiques de NTU Singapour mettent au point des batteries biodégradables en papier imprimé Une fois épuisées, les batteries écologiques se décomposent dans le sol en quelques semaines Des scientifiques de l'université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapour), ont mis au point des batteries en zinc biodégradables en papier mince qui pourraient un jour devenir une option écologiquement durable pour alimenter des systèmes électroniques souples et portables.
Les piles au zinc développées par NTU Singapore sont composées d'électrodes (par lesquelles le courant électrique quitte ou entre dans la pile) sérigraphiées sur les deux faces d'un morceau de papier cellulose renforcé par de l'hydrogel. Une fois la pile épuisée, elle peut être enterrée dans le sol, où elle se décompose complètement en un mois. Dans une expérience de validation de concept décrite dans la revue scientifique Advanced Science, l'équipe de la NTU a démontré qu'une batterie en papier imprimé de 4 cm x 4 cm de côté pouvait alimenter un petit ventilateur électrique pendant au moins 45 minutes.
Le fait de plier ou de tordre la pile n'a pas interrompu l'alimentation électrique. Dans une autre expérience utilisant une batterie de 4 cm x 4 cm pour alimenter une LED, les scientifiques ont montré que malgré la découpe de certaines parties de la batterie en papier, la LED restait allumée, ce qui indique que la découpe n'affecte pas la fonctionnalité de la batterie. Les scientifiques pensent que leur batterie imprimée pourrait être intégrée dans des appareils électroniques flexibles tels que les smartphones pliables qui sont déjà sur le marché, ou des capteurs biomédicaux pour la surveillance de la santé.
Le professeur Fan Hongjin, de l'école des sciences physiques et mathématiques de la NTU et co-auteur principal de l'étude, a déclaré : "Les batteries traditionnelles se déclinent en une variété de modèles et de tailles, et choisir le bon type pour votre appareil peut s'avérer un processus fastidieux. Grâce à notre étude, nous avons montré une façon plus simple et moins chère de fabriquer des batteries, en développant une seule grande pièce de batterie qui peut être découpée selon les formes et les tailles souhaitées sans perte d'efficacité.
formes et tailles souhaitées sans perte d'efficacité. Ces caractéristiques font que nos batteries en papier sont idéales pour être intégrées dans les types d'électronique flexible qui se développent progressivement."
Le professeur adjoint Lee Seok Woo de l'école d'ingénierie électrique et électronique de la NTU, co-auteur principal de l'étude, a déclaré : "Nous pensons que la batterie en papier que nous avons développée pourrait potentiellement aider à résoudre le problème des déchets électroniques, étant donné que notre batterie en papier imprimé est non toxique et ne nécessite pas de boîtiers en aluminium ou en plastique pour encapsuler les composants de la batterie. Le fait d'éviter les couches d'emballage permet également à notre batterie de stocker une plus grande quantité d'énergie, et donc de puissance, dans un système plus petit."
Le développement de batteries au zinc en papier imprimé par l'équipe de recherche de la NTU, qui comprend également les chercheurs Yang Peihua et Li Jia, s'inscrit dans le cadre de la vision NTU 2025 et du Manifeste de durabilité de l'université, qui aspirent à développer des solutions durables pour relever certains des grands défis urgents de l'humanité.
Fabrication de batteries "en sandwich
Les piles alimentent les appareils par une réaction électrochimique, qui produit de l'énergie électrique. Le fonctionnement interne d'une batterie est généralement logé dans un boîtier en métal ou en plastique. À l'intérieur de ce boîtier se trouvent la cathode et l'anode - ce sont les électrodes où se produisent les réactions électrochimiques. Un séparateur ajouté entre la cathode et l'anode crée une barrière et empêche les électrodes de se toucher tout en permettant à la charge électrique de circuler librement entre elles, évitant ainsi les courts-circuits. La batterie contient également un milieu appelé électrolyte, qui permet à la charge électrique de circuler entre la cathode et l'anode. Pour mettre au point un prototype plus fin et plus léger ne nécessitant aucun emballage, les scientifiques de la NTU ont adopté un "concept de sandwich" pour leurs batteries : les électrodes sont comme les tranches de pain, et le papier cellulose sur lequel les électrodes sont imprimées est comme la garniture du sandwich.
Le processus de fabrication commence par le renforcement du papier cellulosique avec de l'hydrogel pour combler les lacunes des fibres que l'on trouve naturellement dans la cellulose. Cela forme un séparateur dense qui empêche efficacement le mélange des électrodes, qui sont formulées en tant qu'"encres d'électrode" et sérigraphiées sur les deux faces du papier cellulose renforcé à l'hydrogel. L'encre anodique est principalement composée de zinc et de noir de carbone (un type de carbone conducteur). Quant à l'encre de la cathode, les scientifiques ont développé un type d'encre à base de manganèse et un autre à base de nickel comme preuve de concept, bien que l'équipe de recherche ait déclaré que d'autres métaux pourraient éventuellement être utilisés. Une fois les électrodes imprimées, la batterie est immergée dans un électrolyte. Une couche de feuille mince d'or est ensuite appliquée sur les électrodes pour augmenter la conductivité de la batterie. Le produit final mesure environ 0,4 mm d'épaisseur, soit à peu près l'épaisseur de deux mèches de cheveux humains.
Une alternative écologique
L'hydrogel et la cellulose étant naturellement décomposés par les bactéries, les champignons et d'autres micro-organismes, la pile peut simplement être enterrée dans le sol à la fin de sa durée de vie, où elle se décompose en quelques semaines, ce qui en fait un produit entièrement biodégradable. Pour démontrer la biodégradabilité de la batterie en papier, les scientifiques de la NTU l'ont enterrée dans le sol d'un jardin sur le toit du campus de la NTU. Le papier cellulosique renforcé à l'hydrogel a commencé à se fracturer après deux semaines et s'est complètement dégradé en un mois.
Le professeur Fan a déclaré : "Lorsque la décomposition se produit, les matériaux de l'électrode sont libérés dans l'environnement. Le nickel ou le manganèse utilisés dans les cathodes resteront sous leur forme d'oxyde ou d'hydroxyde, qui sont proches de la forme des minéraux naturels.
Le zinc présent dans l'anode sera naturellement oxydé pour former un hydroxyde non toxique. Cela montre le potentiel de la batterie comme alternative plus durable aux batteries actuelles." À l'avenir, l'équipe de la NTU espère démontrer l'intégration complète de la batterie en papier imprimé à d'autres appareils électroniques imprimés, à des peaux électroniques, ainsi qu'à des systèmes de stockage d'énergie déployés dans l'environnement.
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