La conception sans emballage quadruple la densité énergétique des microbatteries

La conception sans emballage quadruple la densité énergétique des microbatteries

Pesant environ deux grains de riz mais avec la densité énergétique d’une batterie beaucoup plus grosse et plus lourde, la conception sans emballage des chercheurs pourrait permettre une multitude d’électronique autrement impossible. Crédit : Penn Engineering aujourd’hui

L’électronique sans fil devenant de plus en plus petite et omniprésente, leurs concepteurs doivent constamment trouver des moyens pour que les batteries stockent plus d’énergie dans moins d’espace. Et parce que ces appareils sont également de plus en plus mobiles, sous la forme de wearables, de robots et plus encore, ces batteries doivent être plus légères tout en étant capables de résister aux chocs et aux contusions de la vie quotidienne. Pire encore, la densité énergétique devient exponentiellement plus difficile à améliorer à mesure qu’une batterie devient plus petite, en partie parce que de plus grandes parties de l’empreinte d’une batterie doivent être consacrées à un emballage de protection.

Avec ce défi à l’esprit, de nouvelles recherches de la School of Engineering and Applied Science de l’Université de Pennsylvanie ont montré une nouvelle façon de construire et d’emballer des microbatteries qui maximisent la densité énergétique, même dans les plus petites tailles.

Les principaux développements des chercheurs ont été un nouveau type de collecteur de courant et de cathode qui augmente la fraction de matériaux qui stockent l’énergie tout en servant simultanément de coque de protection. Cela réduit le besoin d’un emballage non conducteur qui protège normalement les produits chimiques internes sensibles d’une batterie.

« Nous avons essentiellement fabriqué des collecteurs de courant qui remplissent une double fonction », explique James Pikul, professeur adjoint au département de génie mécanique et de mécanique appliquée de Penn engineering et responsable de l’étude. « Ils agissent à la fois comme un conducteur d’électrons et comme un emballage qui empêche l’eau et l’oxygène de pénétrer dans la batterie. »

Cette efficacité d’espace supplémentaire se traduit par une densité d’énergie quatre fois supérieure à celle des microbatteries de pointe actuelles. Suffisamment légère pour être transportée par un insecte, la conception de la microbatterie des chercheurs ouvre la porte à des microrobots volants plus petits, à des dispositifs médicaux implantés avec une durée de vie plus longue et à une variété de dispositifs autrement impossibles pour l’Internet des objets.

L’étude, publiée dans la revue Matériaux avancés, a été dirigé par Pikul, Xiujun Yue, chercheur postdoctoral dans son laboratoire, Paul Braun, professeur au Département de science et génie des matériaux de l’Université de l’Illinois à Urbana Champaign, et John Cook, directeur de la R&D chez Xerion Advanced Battery Corp.

Les batteries stockent l’énergie sous forme de liaisons chimiques, libérant cette énergie lorsque ces liaisons sont rompues. Pour fonctionner correctement, cette réaction doit se produire uniquement lorsque l’alimentation est nécessaire, mais doit alors réagir suffisamment rapidement pour fournir une quantité utile de courant.

Pour répondre à la seconde moitié de ces exigences, les microbatteries ont historiquement besoin d’électrodes minces. Cette minceur permet à plus d’électrons et d’ions de se déplacer rapidement à travers les électrodes, mais cela se fait au prix d’avoir moins de produits chimiques stockant l’énergie et de conceptions complexes difficiles à fabriquer.

Les chercheurs ont développé une nouvelle façon de fabriquer des électrodes qui leur permettent d’être épaisses tout en permettant un transport rapide des ions et des électrons. Les cathodes conventionnelles sont constituées de particules broyées comprimées ensemble, un processus qui entraîne de grands espaces entre les électrodes et une configuration interne aléatoire qui ralentit les ions lorsqu’ils se déplacent dans la batterie.

« Au lieu de cela, nous déposons la cathode directement à partir d’un bain de sels fondus », explique Cook, « ce qui nous donne un énorme avantage par rapport aux cathodes conventionnelles car les nôtres n’ont presque pas de porosité ni d’entrefer. »

« Ce processus aligne également les » autoroutes atomiques  » de la cathode « , dit Pikul,  » ce qui signifie que les ions lithium peuvent se déplacer par les voies les plus rapides et les plus directes à travers la cathode et dans l’appareil, améliorant la densité de puissance de la microbatterie tout en maintenant une densité d’énergie élevée. « 

Ces composants redessinés sont si efficaces pour transporter les ions qu’ils peuvent être suffisamment épais pour doubler la quantité de produits chimiques stockant l’énergie sans sacrifier la vitesse nécessaire pour alimenter réellement les appareils auxquels ils sont connectés. Combinées au nouvel emballage, ces microbatteries ont la densité d’énergie et de puissance des batteries qui sont cent fois plus grosses tout en ne pesant que deux grains de riz.

Les chercheurs continueront d’étudier les caractéristiques chimiques et physiques qui peuvent être ajustées pour améliorer encore les performances, tout en créant des appareils portables et des microrobots qui tirent parti de ces nouvelles sources d’alimentation.


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Plus d’information:
Xiujun Yue et al, Un paradigme de conception presque sans emballage pour des microbatteries primaires légères, puissantes et denses en énergie, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002/adma.202101760

Fourni par l’Université de Pennsylvanie

Citation: La conception sans emballage quadruple la densité énergétique des microbatteries (2021, 10 août) récupérée le 10 août 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-08-packaging-free-quadruples-microbatteries-energy-density.html

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