Une batterie rechargeable en forme de tissu
Le stockage d’énergie électrique est un des problèmes industriels les plus importants de notre époque. Il doit être efficace, sûr et écologique. Des batteries à électrolyte aqueuse et en particulier les batteries Ni/Zn ont été étudiées dans ces buts. Leurs propriétés électro-chimiques conduisent à des densités d’énergie et de puissance importantes. L’expansion de dispositifs électroniques portables et flexibles a créé un besoin de batteries dotées des mêmes qualités. Des chercheurs chinois de la City University of Hong Kong, de The Hong Kong Polytechnic University, de l’University of Jinan et de l’University Town, Shenzhen ont réussi à obtenir des fils tissables et maillables à partir de filaments d’acier inoxydable. Ils les ont alors transformés en électrodes en les recouvrant uniformément de zinc (pour les anodes) et de nanocouches d’hydroxyde de nickel et de cobalt (pour les cathodes). En les plongeant dans un électrolyte liquide ou solide, ils ont obtenu des batteries rechargeables de haute capacité en forme de tissus flexibles.
Pour que ces batteries aient des performances élevées, il faut que les électrodes en fil de tissage aient une forte conductivité électrique et une bonne résistance mécanique. En effet la grande longueur du fil impliquée par le tissage ou le maillage rend plus critique la conductivité du fil tandis que les machines industrielles de tissage ou de tricotage exigent une grande résistance à la traction du fil.
La préparation des électrodes en fils
A partir d’acier inoxydable 316 (nuance d’inox très courante) on obtient à haute température des microfilaments qu’on peut ensuite, par torsion et filage, transformer en fils (d’un diamètre de 180 à 200 µm) pouvant être tissés ou tricotés. Ces fils ont une flexibilité de l’ordre de celle des fils de coton. Par électrodéposition, on recouvre ces fils de zinc (Zn) pour l’anode et de nanocouches d’hydroxyde de nickel et de cobalt (NCHO) pour la cathode.
Fig.1. Electrodes en fils d’inox revêtus d’un dépôt électrolytique
a) Photos montrant la flexibilité des fils composés de microfilaments. L’agrandissement de l’insert est une microphotographie au microscope à balayage du fil. La barre d’échelle vaut 100 µm.
b) A gauche, un tissu (en bas) issu d’une machine à tisser industrielle (en haut) ; à droite un tissu en maille issu d’une machine à tricoter industrielle (en haut). Les barres d’échelle valent 100 µm.
c) Fils plaqués de Zn et de NCHO
d) Schéma d’une batterie constituée de deux fils dans un électrolyte solide. Le dépôt de zinc d’une part, celui de NCHO d’autre part, constituent les couches actives des électrodes La structure est autoporteuse.
Reproduit avec autorisation de Weavable, Conductive Yarn-Based NiCo//Zn Textile Battery with High Energy Density and Rate Capability
Yan Huang,† Wing Shan Ip, Yuen Ying Lau, Jinfeng Sun, Jie Zeng, Nga Sze Sea Yeung, Wing Sum Ng, Hongfei Li,† Zengxia Pei, Qi Xue, Yukun Wang, Jie Yu, Hong Hu and Chunyi Zhi, ACS Nano August 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03322.
Copyright 2017 American Chemical Society
Les performances de la batterie en tissu de fils plaqués NiCo//Zn
La bonne conductivité électrique de l’acier 316 permet d’utiliser de grandes longueurs de fils électrodes et d’obtenir par électrodéposition un dépôt uniforme.
Les fils électrodes sont plongés dans un électrolyte aqueux ou recouverts d’un électrolyte en gel à base d’alcool polyvinylique (PVA), ce qui donne un système à l’état solide
Ces batteries à fils NCHO/Zn supportent des charges rapides. Leur tension de sortie est 1,8 V, supérieure à celle, 1,2 V des autres batteries à électrolyte aqueux.
Pour les comparer à d’autres modèles, il est commode d’utiliser un diagramme dit de Ragone. On porte, en coordonnées logarithmiques, sur un axe la densité massique d’énergie, c’est-à-dire l’énergie disponible par unité de masse, et, sur le deuxième axe, la densité massique de puissance. Plus cette dernière est élevée, plus la vitesse de charge/décharge de la batterie peut être élevée. La figure ci-dessous montre le bon classement de la batterie en fils tissés par rapport aux autres batteries à électrolyte aqueux et une batterie au lithium en couches minces.
Fig.2. Performance électrochimique des batteries à fils tissés
Les courbes rouge et bleu représentent, respectivement, le diagramme de
Ragone d’une batterie à fils tissés avec électrolyte liquide et avec électrolyte solide.
Adapté avec autorisation de Weavable, Conductive Yarn-Based NiCo//Zn Textile Battery with High Energy Density and Rate Capability
Yan Huang,† Wing Shan Ip, Yuen Ying Lau, Jinfeng Sun, Jie Zeng, Nga Sze Sea Yeung, Wing Sum Ng, Hongfei Li,† Zengxia Pei, Qi Xue, Yukun Wang, Jie Yu, Hong Hu and Chunyi Zhi, ACS Nano August 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03322. Copyright 2017 American Chemical Society
La batterie à état solide formée de deux fils électrodes enduits d’un gel électrolyte de formule PVA-KOH-Zn(CH3COO) possède une densité d’énergie de 8 mWh/cm3 et une densité de puissance de 2,2 W/cm3. Cela est bien supérieur aux valeurs correspondantes des batteries Ni//Zn, Ni//Fe et Li en couches minces.
La figure suivante montre un bracelet contenant 4 batteries en fils tissés mises en série. Elles alimentent une montre au poignet de l’expérimentateur, un jeu de DELs et un capteur de pouls.
Fig.3. Photographie d’un bracelet-alimentation en batterie de fils tissés.
Le bracelet alimente la montre visible sur la figure, le jeu de DELs et un senseur de pouls dont on voit dans l’encadré blanc la courbe en fonction du temps.
Reproduit avec autorisation de Weavable, Conductive Yarn-Based NiCo//Zn Textile Battery with High Energy Density and Rate Capability
Yan Huang,† Wing Shan Ip, Yuen Ying Lau, Jinfeng Sun, Jie Zeng, Nga Sze Sea Yeung, Wing Sum Ng, Hongfei Li,† Zengxia Pei, Qi Xue, Yukun Wang, Jie Yu, Hong Hu and Chunyi Zhi, ACS Nano August 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03322. Copyright 2017 American Chemical Society
En utilisant des fils en filaments d’acier inox de haute conductivité, les chercheurs ont réalisé une batterie textile de haute performance à électrolyte aqueux. Elle surpasse en performance la plupart des batteries à électrolyte aqueux. Sa flexibilité et la possibilité de l’incorporer à des vêtements peut intéresser l’industrie textile mais aussi l’industrie électroniques où des batteries plates et flexibles sont les bienvenues.
Ce type de batteries se prête fort bien à l’alimentation des divers dispositifs senseurs portables médicaux qu’on développe actuellement.
Pour en savoir plus :
Weavable, Conductive Yarn-Based NiCo//Zn Textile Battery with High Energy Density and Rate Capability
Yan Huang,† Wing Shan Ip, Yuen Ying Lau, Jinfeng Sun, Jie Zeng, Nga Sze Sea Yeung,
Wing Sum Ng, Hongfei Li,† Zengxia Pei, Qi Xue, Yukun Wang, Jie Yu, Hong Hu and Chunyi Zhi
ACS Nano August 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03322
