Des chercheurs de l'Empa ont mis au point une pile susceptible d'alimenter des appareils électroniques à faible puissance et à usage unique, tels que des étiquettes intelligentes, des capteurs environnementaux et des DM de diagnostic, en minimisant leur impact environnemental.

La batterie conçue par Gustav Nyström et son équipe de chercheurs, est constituée d'au moins une cellule mesurant un centimètre carré sous la forme d'une bande de papier rectangulaire sur laquelle sont imprimées trois encres.

Cellule de base composée d'une bande de papier sur laquelle sont imprimées trois encres différentes.

En premier lieu, du chlorure de sodium (sel de table) est dispersé dans la bande de papier. L'un des côtés les plus courts est plongé dans de la cire. Une encre contenant des flocons de graphite est imprimée sur l'une des faces du papier. Elle constitue la cathode (pôle positif) de la pile. La deuxième encre contenant de la poudre de zinc est imprimée sur la face opposée. Elle constitue l'anode (pôle négatif) de la pile. La troisième encre contenant des paillettes de graphite et du noir de carbone est imprimée sur les deux faces du papier, par-dessus les deux autres encres. Elle constitue les collecteurs de courant qui relient la cathode et l'anode de la pile à deux fils, situés à l'extrémité de la bande recouverte de cire.

Lorsque la bande est imbibée d'une petite quantité d'eau, les sels contenus dans le papier se dissolvent et des ions chargés sont libérés, rendant ainsi l'électrolyte ioniquement conducteur. Ces ions activent la pile en se dispersant dans le papier, ce qui a pour effet d'oxyder le zinc de l'anode et de libérer des électrons. En fermant le circuit (externe), ces électrons peuvent alors être transférés de l'anode - via l'encre contenant du graphite et du noir de carbone, les fils et le dispositif à alimenter - à la cathode en graphite. Ces électrons sont transférés à l'oxygène de l'air ambiant, et donc le réduisent. Il s'agit de générer un courant électrique à l'aide de réactions d'oxydo-réduction.

Une preuve de concept prometteuse

Cette batterie est composée de deux cellules électrochimiques séparées par une barrière d'eau (entre les lettres "m" et "p") et connectées en série.

Pour démontrer la capacité de sa batterie à faire fonctionner des appareils électroniques de faible puissance, l'équipe de Gustav Nyström a combiné deux cellules de façon à augmenter la tension de fonctionnement et a utilisé ce dispositif pour alimenter un réveil avec un écran à cristaux liquides (cf illustration principale). L'étude de démonstration de principe a été publiée dans la revue Scientific Reports.

L'analyse des performances d'une batterie à une cellule a révélé qu'après l'ajout de deux gouttes d'eau, l'activation prenait 20 secondes et que la tension se stabilisait à 1,2 V en circuit ouvert, donc sans consommation d'énergie. Rappelons que la tension d'une pile alcaline AA standard est de 1,5 V.

Après une heure, les performances de la pile à une cellule ont considérablement diminué en raison du séchage du papier. Cependant, après l'ajout de deux gouttes d'eau supplémentaires, la pile a maintenu une tension de fonctionnement stable de 0,5 V pendant plus d'une heure supplémentaire.

Une source durable

Selon les chercheurs, la biodégradabilité du papier et du zinc pourrait permettre à leur batterie de minimiser l'impact environnemental des appareils électroniques jetables et de faible puissance. « Contrairement à de nombreuses batteries métal-air dont la feuille de métal se consume au fur et à mesure de l'épuisement en énergie, notre conception permet de n'ajouter à l'encre que la quantité de zinc réellement nécessaire à l'application spécifique », explique Gustav Nyström. « Dans d'autres expériences, les feuilles de métal étaient plus difficiles à contrôler et n'étaient pas toujours entièrement consommées, ce qui entraînait un gaspillage de matériaux. Ici, plus l'encre contient de zinc, plus la batterie est capable de fonctionner longtemps ».

« Un point plus critique de cette batterie avec activation par l'eau est le temps qu'il faut pour que la batterie sèche », ajoute Gustav Nyström. « Mais je suis sûr qu'il est possible de modifier la conception pour contourner ce problème ».

Deux technologies complémentaires

Auparavant, l'équipe de Gustav Nyström avait déjà mis au point un super condensateur dégradable à base de papier qui pouvait être chargé et déchargé des milliers de fois sans perdre son efficacité. Les supercondensateurs ont une densité énergétique environ dix fois plus faible que les batteries de même poids, tout en affichant une densité de puissance dix à cent fois plus élevée. Les supercondensateurs peuvent donc être chargés et déchargés beaucoup plus rapidement. Ils peuvent également supporter beaucoup plus de cycles de charge et de décharge. « Les deux dispositifs sont complémentaires", explique Gustav Nyström. « L'idée derrière la nouvelle batterie activée par l'eau était de pouvoir fabriquer des dispositifs entièrement chargés qui ne libèrent cette énergie qu'après le déclenchement d'un stimulus, en l'occurrence une simple goutte d'eau ».

[Source des illustrations : Empa]

www.empa.ch