IMPRESSION 3D DE MICROBATTERIES

12 novembre 2019 Par 0 Commentaire

Le stockage de l’énergie fait partie intégrante de l’électronique mobile avec une demande en batteries de plus en plus petites mais toujours plus puissantes.

Au fil des années, des efforts considérables ont été déployés pour explorer de nouveaux matériaux d’électrodes, électrolytes, structures de cellules et nouvelles méthodes de fabrication dans le but d’améliorer les performances électrochimiques des batteries, de réduire les coûts de fabrication et d’étendre leur application.
Dans le même temps, l’impression 3D change notre monde et la technologie progresse rapidement. Ainsi de nouvelles bases d’architectures d’énergies imprimées en 3D vont voir le jour pour le sprochaines générations, dans lesquelles les batteries et les supercondensateurs pourraient être imprimés sous pratiquement n’importe quelle forme.

Jusqu’à présent, les fabricants devaient concevoir leurs appareils en fonction de la taille et de la forme des batteries disponibles dans le commerce, lesquelles occupent déjà une grande partie de la place occupée par les appareils électroniques modernes. La plupart d’entre eux sont de forme cylindrique ou rectangulaire et sont optimisés pour les piles bouton et / ou à poche.
Par conséquent, lorsqu’un fabricant conçoit un produit, il doit lui attribuer une taille et une forme particulières, ce qui peut entraîner une perte de place et limiter les options de conception. De plus en plus, cela pose un problème de conception pour les générations à venir d’électronique flexible.
Un article de synthèse dans Advanced Functional Materials (« Fabrication additive de batteries ») fournit un aperçu complet des batteries imprimées en 3D via différentes techniques d’impression, notamment l’impression 3D par lithographie, l’impression 3D par gabarit assisté, l’impression à jet d’encre, impression directe à l’encre, modélisation par fusion et impression par jet d’aérosol. Les auteurs abordent également les principes de fonctionnement, le processus d’impression, les avantages et les inconvénients de chaque procédé d’impression 3D et mettent en évidence les supports d’impression pour les électrodes et les électrolytes des batteries imprimées.

pile imprimée en 3D

Pour la première fois, une équipe de chercheurs du Wyss Institute de l’Université Harvard et de l’Université de l’Illinois d’Urbana-Champaign a démontré sa capacité à imprimer en 3D une pile. Cette image montre l’empilement entrelacé d’électrodes imprimées couche par couche pour créer l’anode de travail et la cathode d’une microbatterie.

En tant que technique de fabrication avancée, l’impression 3D est de plus en plus utilisée pour la fabrication d’objets 3D complexes de matériaux à changement de phase, de matériaux réactifs et d’encres à base de solvant.
Cette méthode de fabrication commence généralement par la conception d’un modèle virtuel 3D découpé en plusieurs sections horizontales 2D à l’aide d’un logiciel spécial. En imprimant successivement de nouveaux calques 2D au-dessus des calques précédents, un objet 3D cohérent est fabriqué.

pile imprimée en 3D

Les architectures de microbatteries interdigitées 3D (3D-IMA) sont fabriquées en imprimant des encres concentrées à base d’oxyde de lithium. Les microbatteries sont composées de structures cathodiques et anodiques interdigitées de haut rapport. .

Au cours des dernières années, les ingénieurs ont inventé de nombreux dispositifs miniaturisés, notamment des implants médicaux, des robots volants ressemblant à des insectes, ainsi que de minuscules appareils photo et microphones pouvant tenir sur une paire de lunettes. Mais souvent, les batteries qui les alimentent sont aussi grandes ou plus grandes que les appareils eux-mêmes, ce qui va à l’encontre de l’objectif de construire de petites unités.
Pour contourner ce problème, les fabricants ont traditionnellement déposé des films minces de matériaux solides pour construire les électrodes. Cependant, en raison de leur conception ultra-mince, ces micro-batteries à semi-conducteurs ne contiennent pas assez d’énergie pour alimenter les appareils miniaturisés de demain.
Les scientifiques ont compris qu’ils pourraient accumuler plus d’énergie s’ils pouvaient créer des piles d’électrodes ultra-minces étroitement entrelacées. Pour cela, ils se sont tournés vers l’impression 3D. Les imprimantes 3D suivent les instructions des dessins informatiques en trois dimensions, en déposant des couches successives de matériaux – des encres – pour construire un objet physique à partir du plateau, un peu comme si on empilait des cartes les unes sur les autres. Cette technique est utilisée dans divers domaines, allant de la fabrication de couronnes dans les laboratoires dentaires au prototypage rapide des biens de l’aérospatiale, de l’automobile et des biens de consommation. Le groupe de Lewis a considérablement élargi les capacités de l’impression 3D. Ils ont conçu une large gamme d’encres fonctionnelles – encres aux propriétés chimiques et électriques utiles. Ils ont également utilisé ces encres avec leurs imprimantes 3D personnalisées pour créer des structures précises dotées des propriétés électroniques, optiques, mécaniques ou biologiquement pertinentes souhaitées.
Pour imprimer des électrodes 3D, le groupe du professeur Lewis a d’abord créé et testé plusieurs encres spécialisées. Contrairement à l’encre utilisée dans les imprimantes à jet d’encre de bureau, qui se présente sous la forme de gouttelettes de liquide mouillant la page, les encres développées pour l’impression 3D par extrusion doivent répondre à deux exigences difficiles. Ils doivent sortir d’un tube avec des buses fines comme le dentifrice et ils doivent immédiatement se durcir pour avoir leur forme définitive.

microbatterie imprimée en 3D

Pour créer la microbatterie, une imprimante 3D sur mesure extrude des encres spéciales à travers une buse plus étroite qu’un cheveu humain. Ces encres se solidifient pour créer l’anode (rouge) et la cathode (violettes) de la batterie, couche par couche. Un boîtier (vert) entoure ensuite les électrodes et la solution d’électrolyte ajoutée pour créer une microbatterie fonctionnelle.

Dans ces conditions, les encres doivent également fonctionner en tant que matériaux électrochimiquement actifs pour créer des anodes et des cathodes et elles doivent se durcir en couches aussi étroites que celles produites par les procédés de fabrication en dépôt de filament mince. Pour atteindre ces objectifs, les chercheurs ont créé une encre pour l’anode avec des nanoparticules d’un composé d’oxyde de lithium métallique et une encre pour la cathode à partir de nanoparticules d’un autre composant. L’imprimante a déposé les encres sur les dents de deux peignes en or, créant ainsi une pile d’anodes et de cathodes étroitement entrelacées. Ensuite, les chercheurs ont emballé les électrodes dans un petit récipient et l’ont rempli d’une solution d’électrolyte pour finaliser la batterie.
Ensuite, ils ont mesuré la quantité d’énergie pouvant être contenue dans les minuscules batteries, la quantité d’énergie qu’elles pouvaient fournir et la durée de leur charge. « Les performances électrochimiques sont comparables à celles des batteries commerciales en termes de charge et de taux de décharge, de durée de vie du cycle et de densités d’énergie. Nous sommes tout à fait en mesure d’atteindre cet objectif à une échelle beaucoup plus petite », a déclaré Dillon.
« Les conceptions d’encre novatrices pour microbatteries de Jennifer élargissent considérablement les utilisations pratiques de l’impression 3D et ouvrent simultanément de toutes nouvelles possibilités pour la miniaturisation de tous types d’appareils, à la fois médicaux et non médicaux. C’est extrêmement excitant », a déclaré Donald Ingber, directeur fondateur de Wyss

 

 

Source: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard / https://www.nanowerk.com

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