Stocker de l’énergie grâce à une encre innovante
Comment emmagasiner l’électricité de manière efficace pour alimenter la multitude d’appareils qui nous entourent ? En imprimant des supercondensateurs et des batteries, répond Valeria Nicolosi, pionnière des techniques de fabrication d’encres d’un nouveau type à base de nanomatériaux, qui permettent cette prouesse.
Les batteries et les supercondensateurs sont deux types de systèmes de stockage d’énergie fortement complémentaires. Les premières stockent de l’énergie de manière électrochimique, les seconds sous forme électrostatique. Beaucoup de progrès ont été faits pour améliorer ces méthodes de stockage. Toutefois, de plus en plus de systèmes nécessitent un stockage flexible, de petite taille, que l’on peut intégrer directement dans les appareils électroniques. Pour répondre à ce besoin croissant d’appareils micro ou nanoélectroniques autonomes et flexibles, nous avons mis au point une technique d’im- pression 2D et 3D qui permet de fabriquer des supercondensateurs solides utilisables dans des domaines variés, ainsi que des batteries plus efficaces. À la base de ces techniques, des encres d’un nouveau type qui contiennent des nanomatériaux. Une batterie électrochimique est formée d’une électrode positive et d’une électrode négative, séparées par une substance chimique baptisée électrolyte. Durant la charge, les éléments positifs sont oxydés, tandis que les négatifs sont réduits. Au cours de cette réaction, l’électrode positive libère certains de ses ions (des ions lithium dans les batteries lithium-ion), qui migrent à travers l’électrolyte vers l’électrode négative et y restent. La batterie se charge et emmagasine de l’énergie durant l’opération. Lorsque la batterie se décharge, les ions font le chemin inverse, en traversant l’électrolyte vers l’électrode positive, produisant de l’énergie qui alimente la batterie. Les supercondensateurs, quant à eux, stockent des charges physiquement – électrostatiquement – dans des doubles couches électriques qui se forment près des interfaces électrode/électrolyte.
Durée de vie plus longue
Jusqu’à une pér iode récente, les batteries se sont taillé la part du lion sur le marché du stockage de l’énergie. Elles devraient encore représenter un marché de 7,5 milliards d’euros en 2022, progressant à un taux de croissance annuel moyen de 37 % entre 2016 et 2022. Les supercondensateurs, quant à eux, ne produisent aujourd’hui qu’un dixième de l’électricité fournie par les batteries. Toutefois, ils peuvent atteindre des densités
de puissance des centaines de fois plus élevées, et être chargés et déchargés extrêmement rapidement. Autre avantage : les supercondensateurs ont des durées de vie bien plus longues, le cycle charge-décharge pouvant être répété en théorie sans limite. Ensemble, ces deux systèmes constituent les technologies de fourniture d’énergie de choix pour l’électronique grand public (appareils portables, mobiles…), les technologies de traction (démarrage d’engins, ouverture de portes de sécurité…), l’industrie automobile (voitures électriques, freinage régénératif, maintien des ceintures de sécurité actives…), et le secteur industriel (fourniture d’énergie, chariots élévateurs, télécommunications…). Pour répondre aux besoins toujours plus nombreux, de nouveaux matériaux et techniques doivent être élaborés. Dans l’arène compétitive de la recherche industrielle et universitaire, deux objectifs essentiels, mais différents, sont poursuivis : améliorer la densité de puissance des batteries et améliorer la densité d’énergie des supercondensateurs. Hors de cette simple optimisation des paramètres impliqués dans le fonctionnement de ces appareils, l’un des plus importants défis auxquels les chercheurs sont confrontés est l’instabilité mécanique et thermique des matériaux. En réalité, la fixation des ions dans le processus de charge-décharge est habituellement accompagnée d’importants changements de volume et de défauts structurels des électrodes qui en limitent les performances. Dans ce contexte, les matériaux bidimensionnels similaires au graphène ont suscité un fort intérêt ces dernières années. Ils offrent des avantages considérables par rapport aux matériaux plus classiques. Par exemple, notre équipe au Trinity College de Dublin a mis au point des matériaux et composés chimiques de ce type, qui autorisent notamment des densités d’énergie et de puissance supérieures, et une durée de vie augmentée. Le graphène est un cristal bidimensionnel constitué d’une couche d’atomes de carbone. C’est le matériau bidimensionnel le plus connu. Toutefois, il existe des centaines d’autres matériaux inorganiques stratifiés qui, tous, présentent un large éventail de propriétés intéressantes. Ces monocouches sont généralement mélangées dans une matrice liquide pour former des encres semiconductrices, métalliques ou isolantes. C’est en imprimant à l’aide de ces encres que l’on crée des microsystèmes de stockage d’énergie efficaces. Comment fabrique-t-on ces encres? On mélange d’abord un cristal stratifié (comme du graphite ou ses analogues) avec un solvant organique approprié. Puis on expose ce mélange à des ultrasons (en utilisant un bain à ultrasons simple, tels ceux utilisés pour nettoyer les bijoux). Les ultrasons créent des bulles de cavitation qui, en implosant, brisent les cristallites stratifiées, ce qui sépare les feuillets qui se retrouvent en suspension dans le liquide (1).
Cette technique d’exfoliation en milieu aqueux est un moyen peu coûteux et durable de produire des feuillets bidimensionnels. De surcroît, l’utilisation de suspensions liquides facilite le mélange avec d’autres nanomatériaux, ce qui permet de former des composites, notamment avec des polymères. L’incorporation de nanomatériaux bidimensionnels dans de tels polymères les rend mécaniquement plus robustes et offre la possibilité d’inclure ces nano-objets dans des outils standards, comme l’impression à jet d’encre et l’impression offset (rouleau à rouleau), utilisées pour imprimer des circuits électroniques.
Rouler son smartphone
Grâce aux techniques que nous a v o n s mi s e s a u p o i n t , n o t re groupe a fabriqué et étudié différents types de systèmes de stockage d’énergie : par exemple, des minibatteries – type pile bouton – à grande densité d’énergie (2) et des supercondensateurs flexibles, transparents et ultra-fins ; ces derniers sont produits par des techniques d’impression rouleau à rou- leau conventionnelles et destinés à l’industrie des appareils électroniques portables. Nos supercondensateurs ont des propriétés importantes pour les appareils du futur : imaginez une batterie de ce type équipant un smartphone pouvant se rouler et se ranger dans votre poche. Autre avantage, ces supercondensateurs ne contiennent aucune trace d’électrolyte inflammable classique. Cela est d’un grand intérêt au regard des questions de sécurité relatives aux électrolytes inflammables et toxiques utilisés dans les batteries commerciales. Nos travaux ont permis en effet de remplacer les électrolytes liquides classiques, dangereux et peu résistants aux changements de température, par des couches ultraminces d’électrolytes sous forme de gel. Ces derniers peuvent être facilement obtenus sans déversement de liquide dangereux. Ils sont peu corrosifs, flexibles (ce qui est utile pour leur conditionnement) et ils résistent à des écarts de température bien plus grands que les électrolytes classiques. Un atout pour l’industrie, vu les températures auxquelles ces appareils sont habituellement exposés (de - 60 °C à + 120 °C) et étant donné les problèmes d’inflammabilité des électrolytes utilisés actuellement dans les dispositifs de stockage d’énergie commerciaux (lire ci-dessous). En plus de ce travail novateur, nous avons élaboré la formulation sur mesure d’encres de nanomatériaux bidimensionnels qui permettent d’imprimer des supercondensateurs flexibles et à l’état solide à l’aide d’imprimantes à jet d’encre. Cette technologie, développée en interne, est particulièrement pertinente dans le contexte de l’industrie émergente des microsystèmes électromécaniques, qui représente un marché de plusieurs milliards de dollars, ainsi que celle des Cmos ( Complementary Metal Oxide Semiconductor – soit les semi-conducteurs à oxyde de métal complémentaire), dont la taille ne cesse d’être réduite. Les deux sont des éléments cruciaux pour l’industrie des objets électroniques « intelligents », ainsi que pour les téléphones et ordinateurs portables. Financés par une bourse du Conseil européen de la recherche, nos travaux visent à produire ces microappareillages de stockage d’énergie solides. Grâce aux techniques d’impression 2D et 3D, nous commençons à pouvoir intégrer ces supercondensateurs à longue durée de vie directement dans des produits. En faisant varier leur eu forme et leur taille, ils pourront être utilisés dans des vêtemen ments, des téléphones portables, ou i implantés dans notre corps pou pour un système de régulation cardiaq diaque par exemple. Ces nanomatéria tériaux sont vraiment sur le point de ré révolutionner nos vies. (1) (2)