Une nouvelle conception aide à développer de puissantes microbatteries

Une nouvelle conception aide à développer de puissantes microbatteries

Représentation de microrobots dans un environnement dangereux. Crédit : Alex David Jerez Roman, institut Beckman, UIUC

Traduire les performances électrochimiques des batteries grand format en sources d’alimentation à l’échelle microscopique est un défi technologique de longue date, limitant la capacité des batteries à alimenter des microdispositifs, des microrobots et des dispositifs médicaux implantables. Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont créé une microbatterie haute tension (> 9 V), avec une densité d’énergie et de puissance élevée, inégalée par toute conception de batterie existante.

Professeur de science et d’ingénierie des matériaux Paul Braun (chaire distinguée Grainger en ingénierie, directeur du laboratoire de recherche sur les matériaux), Dr Sungbong Kim (postdoc, MatSE, professeur adjoint actuel à l’Académie militaire de Corée, co-premier auteur) et Arghya Patra (étudiant diplômé, MatSE, MRL, co-premier auteur) a récemment publié son article “Serially integrated high-voltage and high-power miniature batteries” dans Rapports de cellule Sciences physiques.

L’équipe a démontré des batteries au lithium hermétiquement scellées (fermées hermétiquement pour éviter l’exposition à l’air ambiant), durables et compactes avec une fraction de masse de boîtier exceptionnellement faible dans des configurations à simple, double et triple empilement avec des tensions de fonctionnement sans précédent, des densités de puissance élevées et densités d’énergie.

Braun explique : « Nous avons besoin de batteries minuscules et puissantes pour libérer tout le potentiel des appareils à micro-échelle, en améliorant les architectures d’électrodes et en proposant des conceptions de batterie innovantes. Le problème est qu’à mesure que les batteries deviennent plus petites, l’emballage domine le volume et la masse de la batterie tandis que la surface de l’électrode devient plus petite. Il en résulte des réductions drastiques de l’énergie et de la puissance de la batterie.

Dans leur conception unique de microbatteries puissantes, l’équipe a développé une nouvelle technologie d’emballage qui utilise les collecteurs de courant des bornes positive et négative dans le cadre de l’emballage lui-même (plutôt qu’une entité distincte). Cela a permis le volume compact (≤ 0,165 cm3) et faible fraction massique de l’emballage (10,2 %) des batteries. De plus, ils ont empilé verticalement les cellules d’électrode en série (ainsi la tension de chaque cellule s’ajoute), ce qui a permis la tension de fonctionnement élevée de la batterie.

Une autre façon d’améliorer ces microbatteries consiste à utiliser des électrodes très denses qui offrent une densité d’énergie. Les électrodes normales sont occupées à près de 40 % en volume par des polymères et des additifs carbonés (pas de matières actives). Le groupe de Braun a développé des électrodes par une technique d’électrodéposition directe à température intermédiaire qui sont entièrement denses et sans additifs polymères et carbone. Ces électrodes entièrement denses offrent une densité d’énergie volumétrique supérieure à celle de leurs homologues commerciaux. Les microbatteries de cette recherche ont été fabriquées à l’aide du DirectPlate LiCoO électrolytique dense2 électrodes fabriquées par Xerion Advanced Battery Corporation (XABC, Dayton, Ohio), une société issue des recherches de Braun.

Patra mentionne: “À ce jour, les architectures d’électrodes et les conceptions de cellules à l’échelle micro-nano se sont limitées à des conceptions à haute densité de puissance qui se sont faites au détriment de la porosité et de la densité d’énergie volumétrique. Notre travail a réussi à créer une source d’énergie à micro-échelle qui présente à la fois une densité de puissance élevée et une densité d’énergie volumétrique.”

Un espace d’application important de ces microbatteries comprend l’alimentation de microrobots de la taille d’un insecte pour obtenir des informations précieuses lors de catastrophes naturelles, de missions de recherche et de sauvetage et dans des environnements dangereux où l’accès humain direct est impossible.

Le co-auteur James Pikul (professeur adjoint, Département de génie mécanique et de mécanique appliquée, Université de Pennsylvanie) souligne que “la haute tension est importante pour réduire la charge utile électronique qu’un microrobot doit transporter. 9 V peut alimenter directement les moteurs et réduire la perte d’énergie associée à l’augmentation de la tension à des centaines ou des milliers de volts nécessaires pour certains actionneurs Cela signifie que ces batteries permettent des améliorations au niveau du système au-delà de leur amélioration de la densité d’énergie afin que les petits robots puissent voyager plus loin ou envoyer des informations plus critiques aux opérateurs humains .”

Kim ajoute : “Notre travail comble le fossé des connaissances à l’intersection de la chimie des matériaux, des exigences de fabrication de matériaux uniques pour les configurations de microbatterie planaires à haute densité d’énergie et de la nano-microélectronique appliquée qui nécessite une source d’alimentation de type embarquée à haute tension pour piloter les microactionneurs et micromoteurs.”

Braun, un pionnier dans le domaine de la miniaturisation des batteries, conclut : “Notre conception actuelle de microbatterie est bien adaptée aux applications à haute énergie, haute puissance, haute tension et à décharge unique. La prochaine étape consiste à transposer la conception à tous plates-formes de microbatteries à semi-conducteurs, des batteries qui seraient intrinsèquement plus sûres et plus denses en énergie que leurs homologues à cellules liquides. »

Plus d’information:
Sungbong Kim et al, Batteries miniatures haute tension et haute puissance intégrées en série, Rapports de cellule Sciences physiques (2022). DOI : 10.1016/j.xcrp.2022.101205

Fourni par le Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois

Citation: Une nouvelle conception aide à développer de puissantes microbatteries (12 janvier 2023) récupéré le 12 janvier 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-01-powerful-microbatteries.html

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