Des chercheurs du Laboratoire fédéral suisse pour la science et la technologie des matériaux (EMPA) ont utilisé l'impression 3D pour créer une nouvelle classe durable de supercondensateurs. La batterie entièrement imprimée en 3D, composée d'un substrat flexible de cellulose et de glycérol, sur lequel sont appliqués des motifs en carbone conducteur et une encre chargée de graphite, est capable de supporter des milliers de cycles de charge tout en conservant sa capacité. Grâce à sa base biodégradable, la nouvelle pile peut également être compostée une fois terminée, ce qui en fait potentiellement un outil idéal pour lutter contre les problèmes de déchets électroniques dans le monde. Selon les scientifiques de l'EMPA, le récent boom des vêtements électroniques, des emballages et des applications de l'Internet des objets (IoT) a vu le nombre mondial de ces appareils atteindre 27 milliards. Cependant, compte tenu de leur court cycle de vie et du fait qu'ils sont généralement alimentés par des cellules lithium-ion ou alcalines non renouvelables, beaucoup de ces produits seront finalement mis en décharge, aggravant ainsi le problème des déchets électroniques. Les conclusions des chercheurs sont détaillées dans leur article intitulé "Fully 3D Printed and Disposable Paper Supercapacitors".
Dans le but de mettre au point des dispositifs de stockage d'énergie plus respectueux de l'environnement, les scientifiques ont donc commencé à expérimenter les condensateurs électriques à double couche, ou "EDLC". Ces supercondensateurs de grande capacité et à charge rapide peuvent être fabriqués, du moins en partie, à partir de matériaux biodégradables, ce qui en fait potentiellement un remplacement idéal des batteries normales, qui nécessitent souvent des services d'élimination spécialisés.
Bien qu'une quantité importante de recherches ait été consacrée à la R&D sur les EDLC, leurs différentes parties, telles que les électrodes et les collecteurs de courant, peuvent être difficiles à produire via un processus de fabrication unique. De plus, de nombreux prototypes d'EDLC sont tout au plus partiellement imprimés en 3D, ce qui nécessite un assemblage ou un post-traitement long et coûteux, ce qui les rend peu attrayants en tant que projets commerciaux.
Pour rationaliser la production d'EDLC et créer leur propre batterie écologique, l'équipe de l'EMPA s'est tournée vers l'impression 3D DIW, qu'elle a utilisée pour fabriquer deux demi-cellules avant de les plier ensemble. En pratique, cela signifie qu'il fallait d'abord imprimer la base du substrat de l'unité, puis déposer les couches d'électrodes et d'électrolyte conducteur infusé de graphite par-dessus, dans un processus qui, après quelques ajustements, a permis d'obtenir une batterie fonctionnelle.
"Cela semble assez simple, mais ça ne l'était pas du tout", a déclaré Xavier Aeby du laboratoire Cellulose et matériaux en bois de l'EMPA. "Il a fallu une longue série de tests jusqu'à ce que tous les paramètres soient bons, jusqu'à ce que tous les composants s'écoulent de manière fiable de l'imprimante et que le condensateur fonctionne." Il ajoute : "En tant que chercheurs, nous ne voulons pas nous contenter de bricoler, nous voulons aussi comprendre ce qui se passe à l'intérieur de nos matériaux."
Une fois leur prototype de supercondensateur prêt, les scientifiques ont cherché à tester sa rétention de charge en le chargeant à 0,5 V, avant de mesurer sa tension de surface ouverte. Selon les chercheurs, leur dispositif avait encore 30 % de sa charge après 150 heures, ce qui place ses performances "au niveau de celles des supercondensateurs à base de carbone les plus modernes."
Fait intéressant, les chercheurs ont constaté que la capacité de leur supercondensateur a également fluctué pendant deux semaines après sa fabrication puis s'est stabilisée, alors qu'il est resté fonctionnel après huit mois de stockage. Lorsqu'ils ont terminé leurs expériences et tenté de le composter, ils ont réussi à dissoudre environ 50 % de sa masse en l'espace de neuf semaines. Au cours des tests, le dispositif de l'équipe a finalement été capable d'alimenter un réveil de 3 V sous contrainte mécanique, ainsi que de fonctionner à des températures très variables. En conséquence, avec une R&D plus poussée, ils affirment qu'il pourrait être déployé à plus grande échelle, pour alimenter durablement des appareils intelligents à basse tension tels que ceux utilisés dans la surveillance environnementale, les textiles électroniques ou les applications de santé.
Pour plus d'informations : https://3dprintingindustry.com/news/scientists-3d-print-biodegradable-battery-with-the-potential-to-slash-electronic-waste-198196/
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