Développement de batteries lithium-ion de forme libre extensibles et imprimables

Développement de batteries lithium-ion de forme libre extensibles et imprimables

Crédit : Institut coréen des sciences et technologies (KIST)

Une équipe de recherche coréenne a développé une batterie au lithium souple, mécaniquement déformable et extensible qui peut être utilisée dans le développement d’appareils portables, et a examiné la faisabilité de la batterie en les imprimant sur des surfaces de vêtements. L’équipe de recherche, dirigée par le Dr Jeong Gon Son du Centre de recherche sur les matériaux hybrides souples de l’Institut coréen des sciences et technologies (KIST ; président : Seok-Jin Yoon), a annoncé qu’elle avait développé une batterie au lithium dans laquelle tous les matériaux , y compris l’anode, la cathode, le collecteur de courant, les électrolytes et l’encapsulant, sont extensibles et imprimables. La batterie au lithium développée par l’équipe possède une capacité élevée et des caractéristiques de forme libre adaptées à la déformation mécanique.

En raison de la demande croissante d’appareils portables hautes performances, tels que les bracelets intelligents, les appareils électroniques implantables tels que les stimulateurs cardiaques et les appareils portables souples à utiliser dans le métaverse réaliste, le développement d’une batterie souple et extensible comme le la peau et les organes humains suscitent l’intérêt.

L’électrode inorganique dure d’une batterie conventionnelle constitue la majorité du volume de la batterie, ce qui la rend difficile à étirer. D’autres composants, tels que le séparateur et le collecteur de courant pour tirer et transférer des charges, doivent également être extensibles, et le problème de fuite d’électrolyte liquide doit également être résolu.

Pour améliorer l’extensibilité, l’équipe de recherche a évité d’utiliser des matériaux utilisés dans d’autres études qui n’étaient pas nécessaires pour le stockage de l’énergie, comme le caoutchouc. Ensuite, un nouveau matériau de gel organique souple et extensible a été développé et appliqué sur la base du matériau liant existant. Ce matériau maintient fermement les matériaux d’électrode actifs en place et facilite le transfert des ions. De plus, une encre conductrice a été fabriquée en utilisant un matériau avec d’excellentes propriétés d’étirement et de barrière aux gaz pour servir de matériau collecteur de courant qui transfère les électrons et un encapsulant qui peut fonctionner de manière stable même à haute tension et dans divers états déformés sans gonflement dû à absorption d’électrolytes.

Développement de batteries lithium-ion de forme libre extensibles et imprimables

Illustration schématique de la cellule assemblée de la batterie lithium-ion entièrement extensible à base de PCOG/matériaux actifs, SCC, séparateur PCOG extensible et encapsulant extensible imprimé sur tissu extensible. Crédit : Institut coréen des sciences et technologies (KIST)

La batterie développée par l’équipe est également capable d’incorporer des matériaux de batterie lithium-ion existants, car ils présentent une excellente densité de stockage d’énergie (~ 2,8 mWh/cm2) d’un niveau similaire à celui des batteries lithium-ion dures disponibles dans le commerce à une tension de commande de 3,3 V ou plus. Tous les composants constitutifs de la batterie lithium-ion extensible de l’équipe possèdent la stabilité mécanique nécessaire pour maintenir leurs performances même après avoir tiré la batterie 1 000 fois ou plus, une extensibilité élevée de 50 % ou plus et une stabilité à long terme dans l’air.

De plus, l’équipe de recherche a imprimé directement les matériaux d’électrode et de collecteur de courant qu’ils avaient développés de chaque côté d’un chauffe-bras en spandex et a appliqué un encapsulant extensible sur le matériau, démontrant la capacité d’imprimer une batterie organique haute tension extensible directement sur Vêtements. En utilisant la batterie résultante, l’équipe de recherche a pu alimenter en continu une montre intelligente même lorsqu’elle était mise, retirée ou étirée.

Développement de batteries lithium-ion de forme libre extensibles et imprimables

( a ) Illustration schématique de la batterie extensible imprimée sur un tissu extensible composé d’électrodes extensibles imprimables, de SCC, d’encapsulant et de tissu en tant que séparateur extensible. (b) Image en coupe au microscope électronique à balayage de la batterie extensible imprimée sur le tissu extensible. (c) Changement de capacité en fonction de la contrainte. (d) Modification de la tension et du courant de la batterie extensible imprimée sur le manchon du bras extensible sous diverses déformations angulaires au niveau du coude. (e) Des images photographiques d’une montre intelligente fonctionnant en continu connectée à la batterie lithium-ion extensible ont imprimé le nom de notre institut sur le tissu extensible avant et après le port et l’étirement. Crédit : Institut coréen des sciences et technologies (KIST)

Le Dr Son du KIST a déclaré que son équipe a développé une technologie de batterie lithium-ion extensible qui offre à la fois une liberté structurelle grâce à la configuration de forme libre de la batterie permettant de l’imprimer sur des matériaux tels que des tissus, et une liberté de matériau due à pouvoir utiliser les matériaux de batterie lithium-ion existants, en plus de la stabilité à l’étirement qui permet une densité d’énergie élevée et une déformation mécanique. Il a également déclaré que le système de stockage d’énergie extensible développé par son équipe devrait être applicable au développement de divers dispositifs portables ou pouvant être attachés au corps.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans ACS Nano.


Batterie lithium-ion extensible basée sur une nouvelle structure en micro-nid d’abeille


Plus d’information:
Soo Yeong Hong et al, Batterie lithium-ion intrinsèquement extensible et imprimable pour une configuration de forme libre, ACS Nano (2022). DOI : 10.1021/acsnano.1c08405

Fourni par le Conseil national de recherches sur la science et la technologie

Citation: Développement de batteries lithium-ion de forme libre extensibles et imprimables (2022, 25 mars) récupéré le 25 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-stretchable-printable-free-form-lithium-ion- piles.html

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