Image principale: L’avenir des capteurs portables et IoT dépend de meilleures batteries. Crédit: CC0 Creative Commons

Les trackers de fitness, les montres intelligentes, les oreillettes intelligentes et d’autres incroyables dispositifs portables constituent la première vague d’une nouvelle ère de l’électronique. La plupart des batteries sont bloquées par une batterie limitée. La prochaine vague - une armée de capteurs minuscules qui transfèrent les données de manière autonome à d'autres périphériques, mieux connu sous le nom d'Internet des objets (IoT) - reposera sur une révolution dans la technologie de la batterie. Microbatteries de queue 3D.

Comment fonctionnent les piles?

Les batteries ont une électrode négative (cathode) et positive (anode) en métal, avec un électrolyte non conducteur entre elles, qui supporte des atomes chargés électriquement, généralement des ions lithium, se déplaçant entre eux. Lorsque tous ces atomes sont du côté positif, la batterie a besoin d'être rechargée, après quoi les atomes (maintenant alimentés en électrons) se déplacent dans l'autre sens..

Étant donné les limites de taille des batteries lithium-ion standard que l'on trouve dans presque tous les appareils électroniques portables, des téléphones aux appareils photo en passant par les écouteurs Bluetooth et les dispositifs portables, les scientifiques sont constamment à la recherche de modèles plus petits et plus efficaces..

Qu'est-ce qu'une batterie 3D?

Une batterie 3D est une refonte complète de la construction des batteries existantes, afin de les rendre plus puissantes ou plus petites. Au lieu d'une couche d'anode, de l'électrolyte, puis d'une couche de cathode, une batterie 3D comporte une anode et une cathode en forme de 3D qui ressemblent davantage à des pièces de puzzle. Une telle conception augmente la surface de la cathode et de l'anode, et peut contenir plus d'ions lithium et offrir ainsi plus de puissance, soit être beaucoup plus petite qu'une batterie traditionnelle. Effectivement, les conceptions 3D augmentent la densité énergétique des batteries.

Qu'a fait UCLA??

Des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont créé une puissante batterie lithium-ion 3D ne dépassant pas 100 grains de sel. Dans leur document intitulé Microbatteries 3D Lithium-Ion à haute densité d'énergie absolue, publiés à Joule en mai de cette année, ils ont décrit non seulement une batterie 3D, mais également un nouveau moyen de la construire à l'aide des mêmes techniques que celles utilisées pour la fabrication de circuits électroniques. bien qu'en théorie, les batteries 3D se sont révélées difficiles à construire.

Les batteries 3D développées par UCLA. Crédit: Hur et al / Joule

(Image: © Hur et al./Joule)

Au lieu de couches, la conception "à tubes concentriques" de l'équipe UCLA utilise des colonnes d'anode 3D recouvertes d'une fine couche d'électrolyte polymère photodécoupable, la région entre les colonnes étant remplie par le matériau de la cathode. Le résultat final avait une densité d'énergie de 5,2 milliwattheures par centimètre carré, ce qui est très bon pour une batterie 3D. Cependant, sa petite taille est encore plus importante pour une utilisation dans des appareils minuscules: seulement 0,09 cm2. sensationnel.

Quelle est l'importance de cette?

Les batteries 3D constituent un nouveau type d'architecture de batterie. Crédit: Hur et al / Joule

(Image: © Hur et al./Joule)

Davantage de travail est nécessaire sur les composants, l'assemblage et l'emballage, mais cela pourrait signifier que les microbatteries 3D pour applications IoT sont plus faciles à fabriquer. «Pour les petits capteurs, vous devez repenser la batterie pour qu’elle ressemble à un gratte-ciel à New York et non à un ranch en Californie», a déclaré Bruce Dunn, professeur de science des matériaux et d’ingénierie à UCLA et auteur principal du rapport, à propos de l'utilisation de poteaux cathodiques par l'équipe.

"C'est ce que fait une batterie 3D et nous pouvons utiliser un traitement à semi-conducteur et un électrolyte conforme pour en faire un compatible avec les exigences des petits appareils connectés à Internet."

La batterie qui se recharge instantanément

L'IdO nécessitera des batteries flexibles instantanément rechargeables. Crédit: CC0 Creative Commons

La quantité d'énergie qu'une batterie peut stocker devient moins importante si elle peut être rechargée très rapidement. Pensez aux Apple AirPod et aux autres écouteurs «véritablement sans fil»; Si elles pouvaient être rechargées en moins d'une minute, est-ce que quelqu'un se soucierait de la durée de la batterie? Et si ces batteries pouvaient être rechargées en moins d’une seconde?

Qu'a fait l'Université Cornell??

Selon une équipe de l’Université Cornell, qui fabrique des batteries 3D, il est possible de recharger les appareils portables et les appareils IoT presque instantanément, ce qui a permis de combiner les composants internes d’une batterie. Au lieu de la conception standard cathode-électrolyte-anode, ils ont conçu une structure gyroïdale en 3D avec des milliers de pores à l'échelle nanométrique remplis de tous les composants habituels de la batterie..

"C’est vraiment une architecture de batterie révolutionnaire,” a déclaré Ulrich Wiesner, professeur d'ingénierie au département de science et génie des matériaux. “Cette architecture en trois dimensions élimine pratiquement toutes les pertes dues au volume mort dans votre appareil..” Il a également souligné qu'en réduisant tout à l'échelle nanométrique, on obtient des ordres de grandeur d'une densité de puissance plus élevée. "Ainsi, vous pouvez accéder à l'énergie en des temps beaucoup plus courts que ce qui est habituellement fait avec les architectures de batterie conventionnelles."

Alors, à quelle vitesse sa batterie 3D se recharge-t-elle? "Au moment où vous branchez votre câble dans la prise, en quelques secondes, peut-être même plus vite, la batterie sera chargée", a déclaré Wiesner. Le document de l'équipe, le nanohybride gyroïdal multifonctionnel interpénétrant en 3D dérivé du copolymère séquencé, destiné au stockage d'énergie électrique a été publié dans Energy and Environmental Scienceen mai 2018.

La batterie flexible pour les vêtements

Ces deux batteries 3D tentent d'insuffler une nouvelle vie à la batterie lithium-ion, mais certains pensent qu'un nouveau type de batterie est nécessaire pour les appareils portables flexibles (et même étirables). Pensez à des vêtements intelligents pour des exercices de fitness qui envoyer des données sur toutes sortes de métriques du corps.

Les wearables destinés au marché du fitness pourraient éventuellement présenter une «flexibilité mécanique». Crédit: Garmin

(Image: © Garmin)

Les piles au lithium-soufre (Li-S) sont une option explorée par une équipe de chercheurs en Corée, dans un article publié dans le Journal of Materials Chemistry. L’équipe a présenté une nouvelle catégorie de batteries utilisant un séparateur cathodique entièrement fibreux et des nanotubes de carbone pour créer un facteur de forme de feuille métallique. En plus des améliorations exceptionnelles de la densité énergétique, cette déformabilité mécanique signifie que les batteries peuvent être froissées sans être affectées..

Avec la croissance exponentielle de l'IoT et le seul marché estimé à 48,2 milliards de dollars en 2023, le marché des suiveurs de condition physique portables devrait faire face à une demande massive et croissante pour des batteries minuscules offrant une capacité supérieure, pouvant être rechargées rapidement. même plier et flex - et plus de puissance à quiconque peut les rendre commercialement viable d'abord.

TechRadar Série Next Up vous est présenté en association avec Honour