Des scientifiques développent des batteries de papier imprimé biodégradables

Des scientifiques développent des batteries de papier imprimé biodégradables

Fabrication et caractérisations de papier hydrogel cellulosique (HCP). a) Schéma du CP et du HCP d’origine. b) Image optique du HCP (en haut) et du CP d’origine (en bas) avec des motifs de circuits imprimés. c) Un morceau de HCP sous déformation mécanique. Images SEM de d) CP et e) HCP. f) Courbes contrainte-déformation de HCP et CP. g) Les tests de biodégradabilité du CP (à gauche) et du HCP (à droite) sous sol humide. Les cercles de tirets jaunes montrent le contour des échantillons. h) Photographie d’un HCP sec (à gauche) et d’un HCP gonflé (à droite) avec des motifs imprimés. Des carrés bleus avec la même taille de 30 mm × 30 mm montrent les limites de HCP. i) Courbes galvanostatiques de placage/dénudage de cellules symétriques en zinc à une densité de courant de 5 mA cm-2 et une capacité de coupure de 1 mAh cm-2. Crédit : DOI : 10.1002 / adv.202103894

Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour) ont mis au point des piles au zinc biodégradables minces comme du papier qui pourraient un jour devenir une option écologiquement durable pour alimenter des systèmes électroniques flexibles et portables.

Les batteries au zinc développées par NTU à Singapour sont constituées d’électrodes (à travers lesquelles le courant électrique sort ou entre dans la batterie) sérigraphiées sur les deux faces d’un morceau de papier de cellulose renforcé d’hydrogel.

Une fois la batterie épuisée, elle peut être enterrée dans le sol, où elle se décompose complètement en un mois.

Dans une expérience de preuve de concept décrite dans une revue scientifique Sciences avancées, l’équipe NTU a démontré comment une pile de papier imprimé de 4 cm x 4 cm pouvait alimenter un petit ventilateur électrique pendant au moins 45 minutes. Plier ou tordre la batterie 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 parties de la batterie en papier, la LED restait allumée, indiquant que la coupe n’affectait pas la fonctionnalité de la batterie.

Les scientifiques pensent que leur batterie imprimée pourrait être intégrée dans des composants électroniques flexibles tels que des téléphones intelligents pliables déjà sur le marché ou des capteurs biomédicaux pour la surveillance de la santé.

Le professeur Fan Hongjin de la NTU School of Physical and Mathematical Sciences et co-auteur principal de l’étude, a déclaré : « Les batteries traditionnelles sont disponibles dans une variété de modèles et de tailles, et choisir le bon type pour votre appareil peut être un processus fastidieux. Grâce à notre étude, nous avons montré un moyen plus simple et moins cher de fabriquer des batteries, en développant un seul gros morceau de batterie qui peut être coupé aux formes et aux tailles souhaitées sans perte d’efficacité.Ces caractéristiques rendent nos batteries en papier idéales pour l’intégration dans les types d’électronique flexible qui se développent progressivement.”

Le professeur adjoint Lee Seok Woo de la NTU School of Electrical and Electronic Engineering et 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 n’est pas -toxique et ne nécessite pas de boîtiers en aluminium ou en plastique pour encapsuler les composants de la batterie. 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 piles au zinc papier imprimées par l’équipe de recherche NTU, qui comprend également les chercheurs Dr. Yang Peihua et Dr. Li Jia, est conforme à la vision NTU 2025 et au Manifeste de la durabilité de l’Université, qui aspirent à développer des solutions durables pour répondre certains des grands défis urgents de l’humanité.

Fabrication de batteries « de type sandwich »

Les batteries 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. A l’intérieur de ce boîtier se trouvent la cathode et l’anode – ce sont des électrodes où se produisent les réactions électrochimiques.






Crédit : Université technologique de Nanyang

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.

À l’intérieur de la batterie se trouve également un milieu appelé électrolyte, qui permet à la charge électrique de circuler entre la cathode et l’anode.

Pour développer un prototype plus fin et plus léger sans emballage requis, les scientifiques de NTU ont adopté une “conception en sandwich” pour leurs batteries – les électrodes sont comme les tranches de pain, et le papier de cellulose sur lequel les électrodes sont imprimées est comme la garniture du sandwich.

Le processus de fabrication commence par le renforcement du papier de cellulose avec de l’hydrogel pour combler les lacunes des fibres naturellement présentes dans la cellulose. Cela forme un séparateur dense qui empêche efficacement le mélange des électrodes, qui sont formulées comme des « encres pour électrodes » et sérigraphiées sur les deux faces du papier cellulosique renforcé d’hydrogel.

L’encre d’anode est principalement composée de zinc et de noir de carbone (un type de carbone conducteur). Quant à l’encre cathodique, les scientifiques ont développé un type avec du manganèse et un autre avec du 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 fine feuille 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 environ l’épaisseur de deux mèches de cheveux humains.

Une alternative écologique

Avec l’hydrogel et la cellulose naturellement décomposés par les bactéries, les champignons et d’autres micro-organismes, la batterie 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 NTU l’ont enterrée dans le sol d’un jardin sur le toit du campus de NTU. Le papier de cellulose renforcé d’hydrogel a commencé à se fracturer au bout de deux semaines et s’est complètement dégradé en un mois.

Le professeur Fan a déclaré: “Lorsque la décomposition se produit, les matériaux des électrodes sont libérés dans l’environnement. Le nickel ou le manganèse utilisés dans les cathodes resteront sous leurs formes d’oxyde ou d’hydroxyde, qui sont proches de la forme de minéraux naturels. Le zinc trouvé dans le l’anode sera naturellement oxydée pour former un hydroxyde non toxique. Cela montre le potentiel de la batterie en tant qu’alternative plus durable aux batteries actuelles. »

À l’avenir, l’équipe NTU espère démontrer l’intégration complète de la batterie de papier imprimé à d’autres appareils électroniques imprimés, des peaux électroniques, ainsi que des systèmes de stockage d’énergie déployés dans l’environnement.


Une nouvelle façon de récupérer les matériaux cathodiques utilisés dans les batteries au lithium pour les utiliser dans de nouvelles batteries


Plus d’information:
Peihua Yang et al, Piles imprimées en papier zinc, Sciences avancées (2021). DOI : 10.1002 / adv.202103894

Fourni par l’Université technologique de Nanyang

Citation: Des scientifiques développent des batteries en papier imprimé biodégradables (2021, 15 décembre) récupérées le 15 décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-scientists-biodegradable-paper-batteries.html

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