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Ce drone sous-marin est alimenté par une batterie en fibre de 20 mètres de long qui est enroulée à sa surface. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
La batterie rechargeable peut être tissée et lavée, et pourrait alimenter des dispositifs électroniques et des capteurs à base de fibres.
Des chercheurs ont développé une batterie lithium-ion rechargeable sous la forme d’une fibre ultra-longue qui pourrait être tissée dans des tissus. La batterie pourrait permettre une grande variété d’appareils électroniques portables et pourrait même être utilisée pour fabriquer des batteries imprimées en 3D dans pratiquement n’importe quelle forme.
Les chercheurs envisagent de nouvelles possibilités pour les dispositifs de communication, de détection et de calcul auto-alimentés qui pourraient être portés comme des vêtements ordinaires, ainsi que des dispositifs dont les batteries pourraient également servir de pièces structurelles.
Dans une preuve de concept, l’équipe à l’origine de la nouvelle technologie de batterie a produit la batterie à fibre flexible la plus longue au monde, 140 mètres de long, pour démontrer que le matériau peut être fabriqué à des longueurs arbitrairement longues. Le travail est décrit le 20 décembre 2021 dans la revue Matériaux aujourd’hui. AVEC le postdoctorant Tural Khudiyev (maintenant professeur assistant à l’Université nationale de Singapour), l’ancien postdoctorant du MIT Jung Tae Lee (maintenant professeur à l’Université Kyung Hee) et Benjamin Grena SM ’13, PhD ’17 (actuellement chez Apple) sont les auteurs principaux sur le papier. Les autres co-auteurs sont les professeurs du MIT Yoel Fink, Ju Li et John Joannopoulos, et sept autres au MIT et ailleurs.
Les chercheurs, y compris les membres de cette équipe, ont déjà démontré des fibres contenant une grande variété de composants électroniques, notamment des diodes électroluminescentes (DEL), des photocapteurs, des communications et des systèmes numériques. Beaucoup d’entre eux sont tissés et lavables, ce qui les rend pratiques pour une utilisation dans des produits portables, mais tous reposaient jusqu’à présent sur une source d’alimentation externe. Or, cette batterie fibre, également tressable et lavable, pourrait permettre à de tels dispositifs d’être totalement autonomes.
La nouvelle batterie à fibres est fabriquée à l’aide de nouveaux gels de batterie et d’un système de dessin de fibres standard qui commence par un cylindre plus grand contenant tous les composants, puis le chauffe juste en dessous de son point de fusion. Le matériau est aspiré à travers une ouverture étroite pour comprimer toutes les pièces à une fraction de leur diamètre d’origine, tout en conservant toute la disposition originale des pièces.
batterie fibre La batterie fibre continue d’alimenter une LED même après une coupure partielle indiquant que le système de batterie fibre est exempt de perte d’électrolyte et de court-circuit. Crédit : MIT
Alors que d’autres ont tenté de fabriquer des batteries sous forme de fibre, explique Khudiyev, celles-ci étaient structurées avec des matériaux clés à l’extérieur de la fibre, alors que ce système intègre le lithium et d’autres matériaux à l’intérieur de la fibre, avec un revêtement extérieur protecteur, ce qui rend directement cela version stable et étanche. Il s’agit de la première démonstration d’une batterie à fibre longue inférieure au kilomètre qui est à la fois suffisamment longue et très durable pour avoir des applications pratiques, dit-il.
Le fait qu’ils aient pu fabriquer une batterie fibre de 140 mètres montre qu’« il n’y a pas de limite supérieure évidente à la longueur. Nous pourrions certainement faire une longueur à l’échelle du kilomètre », dit-il. Un dispositif de démonstration utilisant la nouvelle batterie à fibre optique incorporait un système de communication « Li-Fi » – un système dans lequel des impulsions lumineuses sont utilisées pour transmettre des données, et comprenait un microphone, un préamplificateur, un transistor et des diodes pour établir une liaison de données optique entre deux dispositifs en tissu tissé.
“Lorsque nous intégrons les matériaux actifs à l’intérieur de la fibre, cela signifie que les composants sensibles de la batterie ont déjà une bonne étanchéité”, explique Khudiyev, “et tous les matériaux actifs sont très bien intégrés, ils ne changent donc pas de position” pendant le dessin traiter. De plus, la batterie à fibres résultante est beaucoup plus fine et plus flexible, ce qui donne un rapport d’aspect, c’est-à-dire la fraction longueur-largeur, jusqu’à un million, ce qui est bien au-delà des autres conceptions, ce qui rend pratique l’utilisation d’équipements de tissage standard pour créer des tissus qui intègrent les batteries ainsi que des systèmes électroniques.
exemple de batterie La batterie fibre thermo-étirée (à droite) est résistante au feu grâce aux électrodes gel et à l’électrolyte gel, tandis que la batterie fibre de contrôle à électrolyte liquide (gauche) s’enflamme instantanément et se dilate. Crédit : MIT
La fibre de 140 mètres produite jusqu’à présent a une capacité de stockage d’énergie de 123 milliampères-heures, qui peut charger des montres intelligentes ou des téléphones, dit-il. Le dispositif à fibre n’a que quelques centaines de microns d’épaisseur, plus mince que toutes les tentatives précédentes pour produire des batteries sous forme de fibre.
« La beauté de notre approche est que nous pouvons intégrer plusieurs appareils dans une fibre individuelle, dit Lee, « contrairement à d’autres approches qui nécessitent l’intégration de plusieurs appareils à fibre. » Ils ont démontré l’intégration de la LED et de la batterie Li-ion dans une seule fibre et il pense que plus de trois ou quatre appareils pourront être combinés dans un si petit espace à l’avenir. “Lorsque nous intégrons ces fibres contenant des multi-dispositifs, l’agrégat fera avancer la réalisation d’un ordinateur compact en tissu.”
En plus des fibres unidimensionnelles individuelles, qui peuvent être tissées pour produire des tissus bidimensionnels, le matériau peut également être utilisé dans des systèmes d’impression 3D ou de formes personnalisées pour créer des objets solides, tels que des enveloppes qui pourraient fournir à la fois la structure d’un l’appareil et sa source d’alimentation. Pour démontrer cette capacité, un sous-marin jouet a été enveloppé avec la fibre de la batterie pour lui fournir de l’énergie. L’intégration de la source d’alimentation dans la structure de tels dispositifs pourrait réduire le poids total et ainsi améliorer l’efficacité et la portée qu’ils peuvent atteindre.
« Il s’agit de la première impression 3D d’un appareil à batterie fibre », explique Khudiyev. « Si vous voulez fabriquer des objets complexes » grâce à l’impression 3D qui intègre un dispositif de batterie, dit-il, c’est le premier système qui peut y parvenir. « Après l’impression, vous n’avez rien d’autre à ajouter, car tout est déjà à l’intérieur de la fibre, tous les métaux, toutes les matières actives. C’est juste une impression en une seule étape. C’est une première.
Cela signifie que maintenant, dit-il, « les unités de calcul peuvent être placées dans des objets de tous les jours, y compris le Li-Fi. »
L’équipe a déjà déposé une demande de brevet sur le processus et continue de développer de nouvelles améliorations de la capacité de puissance et des variations sur les matériaux utilisés pour améliorer l’efficacité. Khudiyev dit que ces batteries à fibres pourraient être prêtes à être utilisées dans des produits commerciaux d’ici quelques années.
« La flexibilité de forme de la nouvelle cellule de batterie permet des conceptions et des applications qui n’étaient pas possibles auparavant », explique Martin Winter, professeur de chimie physique à l’Université de Münster en Allemagne, qui n’a pas participé à ce travail. Qualifiant ce travail de « très créatif », il ajoute : « Comme la plupart des travaux universitaires sur les batteries examinent maintenant le stockage sur le réseau et les véhicules électriques, il s’agit d’une merveilleuse déviation par rapport au courant dominant. »
Référence : « La fibre de batterie rechargeable thermiquement dessinée permet une puissance omniprésente » par Tural Khudiyev, Benjamin Grena, Gabriel Loke, Chong Hou, Hyeonji Jang, Jinhyuk Lee, Grace H. Noel, Juliette Alain, John Joannopoulos, Kang Xu, Ju Li, Yoel Fink et Jung Tae Lee, le 20 décembre 2021, Matériaux aujourd’hui.
DOI : 10.1016/j.mattod.2021.11.020
La recherche a été financée par le programme MIT MRSEC de la National Science Foundation, le US Army Research Laboratory par l’intermédiaire de l’Institute for Soldier Nanotechnologies, le programme de bourses de recherche d’études supérieures de la National Science Foundation et la National Research Foundation of Korea.
