Le corps humain comme source d’inspiration de la batterie du futur
Susceptible de contribuer à l’émergence de nouveaux systèmes électriques plus respectueux de l’environnement, le stockage de l’énergie est devenu un marché en fort développement. Il faut dire que le recours croissant aux énergies renouvelables intermittentes, la démocratisation de l’électromobilité et l’explosion des technologies « nomades » induisent des besoins importants en matière de stockage d’énergie électrique. Le développement des technologies « mettables » (wearable en anglais) a notamment tiré vers le haut la demande en batterie tout aussi performante que flexible. Des chercheurs américains semblent avoir fait une découverte importante dans ce secteur-là. En s’inspirant de la structure de la colonne vertébrale humaine, ils ont en effet mis au point une batterie lithium-ion ayant une densité et une résistance supérieures aux prototypes jusqu’ici connus. Explications.
Une innovation inspirée de l’humain
La revue scientifique Advanced Materials vient de se faire l’écho du travail mené par l’équipe de Yuan Yang, professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’université de Columbia aux États-Unis.
Cette équipe universitaire s’est inspirée des propriétés de la colonne vertébrale humaine pour mettre au point une batterie lithium-ion dont la souplesse et la maniabilité ne réduisent pas sa capacité de stockage et ses performances. Le professeur Yuan Yang explique s’être inspiré de l’architecture d’une colonne vertébrale pour concevoir une nouvelle batterie flexible.
Concrètement, cette nouvelle technologie de stockage se présente sous la forme de segments rigides (des électrodes, qui correspondent à des vertèbres) assemblés entre eux autour d’une fine structure souple (un matériau dont la composition est gardée secrète, mais qui correspond à la moelle épinière). « La densité d’énergie de notre prototype est l’une des plus élevées jamais rapportées. Nous avons mis au point une approche simple et évolutive pour fabriquer une batterie au lithium-ion souple de type colonne vertébrale qui possède d’excellentes propriétés électrochimiques et mécaniques. Notre modèle est un candidat très prometteur en tant que batterie lithium-ion de première génération, flexible et commerciale. Nous sommes en train d’optimiser le design et d’améliorer ses performances », se félicitent d’ores-et-déjà le professeur Yang et son équipe.
Des performances prometteuses
C’est dans une salle de sport que Yuan Yang a eu l’idée de s’inspirer de la constitution de la colonne vertébrale pour mettre au point son prototype de batterie. Alors qu’il est en pleine séance d’étirements, le scientifique se rend en effet compte que l’on peut combiner des éléments solides et robustes pour constituer un ensemble souple et performant.
L’idée est ingénieuse, mais elle se révèle également pertinente. Selon les explications du journaliste de l’Advance Materials, les « vertèbres énergétiques » correspondent à des piles épaisses et rigides qui accumulent de l’énergie grâce à des électrodes composées de fines lamelles de cuivre superposées. Chaque « vertèbre » est ensuite intégrée à une longue partie mince et flexible. Une configuration qui confère à l’ensemble une véritable flexibilité.
« Comme le volume de l’électrode rigide est nettement plus important que celui de l’interconnexion flexible, la densité énergétique d’une telle batterie peut être supérieure à 85 % de celle d’une batterie dans un emballage commercial standard. En raison de la proportion élevée de matières actives dans l’ensemble de la structure, notre batterie en forme de colonne vertébrale présente une densité d’énergie très élevée, plus élevée que tout autres dispositifs connus », explique le professeur Yang.
Vers une nouvelle génération d’écrans flexibles et de tissus connectés
En guise de test en laboratoire, les chercheurs de l’université de Columbia ont utilisé un prototype de petite dimension pour alimenter une montre connectée. À l’issue d’un cycle d’une centaine de charges et de décharges, la batterie conservait près de 94% de sa capacité initiale. Pour éprouver la flexibilité de leur prototype, les chercheurs ont continuellement tordu la batterie pendant la phase de décharge (pendant laquelle la batterie alimente la montre).
Les mesures effectuées ont permis de démontrer que la flexion et la torsion n’avaient aucune incidence sur la courbe de tension. L’équipe du professeur Yang a ensuite procédé au démontage de la batterie et a constaté que les composants ne présentaient aucun dommage majeur. Confirmant ainsi la stabilité mécanique de cette innovation. « Notre conception en forme de colonne vertébrale est beaucoup plus robuste sur le plan mécanique que les conceptions conventionnelles. Nous prévoyons que notre méthode évolutive et bio-inspirée pour fabriquer des batteries Li-ion flexibles pourrait faire progresser la commercialisation de dispositifs flexibles », a déclaré M. Yang.
La commercialisation du dispositif est loin d’être d’actualité mais les scientifiques de l’Université de Columbia estiment que leur invention permettra d’ouvrir la voie au développement d’une nouvelle ère d’écrans souples et de vêtements connectés.
