Un projet dirigé par l’Université de Glasgow a produit une batterie imprimée en 3D qui pourrait être plus écologique que les équivalents lithium-ion.
Une équipe d’ingénieurs dirigée par l’Université de Glasgow a développé un nouveau type de batterie imprimée en 3D qui utilise des électrodes à base d’amidon végétal. Les chercheurs affirment qu’il pourrait fournir aux appareils mobiles une source d’alimentation plus respectueuse de l’environnement et de plus grande capacité que les équivalents lithium-ion.
Les batteries lithium-ion sont utilisées dans une large gamme d’appareils, y compris les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques. Ils sont construits à partir de facteurs de forme légers et compacts et peuvent supporter plusieurs cycles de charge et de décharge. Une électrode positive, généralement constituée de lithium cobalt ou de lithium fer phosphate, fait passer les ions lithium à travers un électrolyte vers l’électrode négative, qui est constituée de lithium métal.
Les ions lithium sont stockés dans l’électrode négative lorsque la batterie est chargée. Lorsque la batterie est utilisée, les ions circulent dans la direction opposée et génèrent de l’énergie pour alimenter les appareils par une réaction électrochimique.
Les avantages d’une batterie imprimée en 3D durable
Les batteries lithium-ion actuellement sur le marché ont des électrodes épaisses qui limitent la quantité d’énergie qu’elles peuvent stocker et libérer, selon l’équipe dirigée par Glasgow. Ils limitent la diffusion des ions lithium à travers l’électrode et sont également plus sujets à la fissuration, ce qui signifie que la batterie ne peut plus être utilisée.
Dans le but de surmonter ces restrictions, les ingénieurs ont introduit de minuscules trous à l’échelle nanométrique et micrométrique dans les électrodes de leur batterie. Cela a augmenté la surface des électrodes sans changer les dimensions externes de la batterie.
Les pores ont été ajoutés grâce à l’impression 3D, ce qui a permis à l’équipe de contrôler étroitement leur taille et leur placement. Les chercheurs ont utilisé un matériau qu’ils ont développé combinant de l’acide polylactique, du phosphate de lithium-fer et des nanotubes de carbone. L’acide polylactique est un matériau biodégradable transformé à partir de l’amidon de maïs, de canne à sucre et de betterave à sucre, ce qui rend la batterie recyclable et plus durable.
Le résultat est une batterie d’électrodes de 300 microns avec une porosité de 70 pc. Il a une capacité de 151 milliampères-heure par gramme, soit environ deux à trois fois les performances d’une batterie lithium-ion traditionnelle avec une électrode solide de même épaisseur. La batterie imprimée en 3D avait également 158 pc de capacité surfacique supérieure à celle de ses homologues au lithium-ion.
‘Un nouveau métamatériau’
Le Dr Shanmugam Kumar, de la James Watt School of Engineering de l’Université de Glasgow, a dirigé la recherche avec des collègues de l’Université Khalifa des sciences et de la technologie d’Abu Dhabi et de la Texas A&M University et de l’Arizona State University aux États-Unis.
Kumar a déclaré: «Les batteries lithium-ion sont de plus en plus courantes dans la vie quotidienne et devraient continuer à augmenter dans l’ubiquité à mesure que nous nous dirigeons vers plus d’électrification des transports et un monde plus durable. Cependant, les batteries lithium-ion ont leurs propres problèmes de durabilité, il est donc important que nous cherchions de nouvelles façons de les rendre meilleures et plus respectueuses de l’environnement.
«Le processus d’impression 3D que nous avons utilisé dans cette recherche nous donne un contrôle remarquable sur la porosité des électrodes, nous permettant de concevoir très précisément un nouveau métamatériau capable de combler certaines des lacunes de la génération actuelle de lithium-ion batteries. Nous avons créé une batterie avec une capacité spécifique élevée et une capacité surfacique avec une excellente cyclabilité.
«Ce sont des premiers résultats prometteurs, et nous souhaitons continuer à explorer les possibilités qu’offrent ces types de matériaux micro-architecturés pour créer des batteries meilleures et plus recyclables pour les futurs consommateurs.»
Le document de recherche, publié dans le Journal of Power Sources, peut être trouvé ici.
Auteur/autrice
