Sto­cker de l’éner­gie grâce à une encre in­no­vante

La Recherche - - Sommaire - Va­le­ria Ni­co­lo­si

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)

Pour Va­le­ria Ni­co­lo­si, ici dans son la­bo­ra­toire à Du­blin, les su­per­con­den­sa­teurs sont vrai­ment sur le point de ré­vo­lu­tion­ner nos vies.

Ce su­per­con­den­sa­teur flexible, trans­pa­rent et ul­tra-fin ne contient au­cune trace d’élec­tro­lyte in­flam­mable clas­sique.

Newspapers in French

Newspapers from France

© PressReader. All rights reserved.