La pile biodégradable
L'usine de fabrication de la révolution des batteries semble tout à fait inoffensive : Il s'agit d'une imprimante 3D modifiée, disponible dans le commerce, située dans une pièce du bâtiment des laboratoires de l'Empa. La véritable innovation réside dans la recette des encres gélatineuses que cette imprimante peut déposer sur une surface. Les mélanges en question sont composés de nanofibres de cellulose et de nanocristallites de cellulose, ainsi que de carbone sous forme de noir de carbone, de graphite et de noir de carbone activé. Pour liquéfier tout cela, les chercheurs utilisent de la glycérine, de l'eau et deux types d'alcool différents. Plus une pincée de sel de table pour la conductivité ionique.
Un sandwich de quatre couches
Pour construire un supercondensateur fonctionnel à partir de ces ingrédients, quatre couches sont nécessaires, qui sortent toutes l'une après l'autre de l'imprimante 3D : un substrat flexible, une couche conductrice de courant, puis l'électrode et enfin l'électrolyte. Le tout est ensuite plié comme un sandwich, avec l'électrolyte au milieu.
Ce qui en ressort est un miracle écologique. Le mini-condensateur du laboratoire peut stocker de l'électricité pendant des heures et peut déjà alimenter une petite horloge numérique. Il peut résister à des milliers de cycles de charge et de décharge et à des années de stockage, même à des températures négatives, et il est résistant à la pression et aux chocs.
Une alimentation électrique biodégradable
Mais surtout, lorsque vous n'en avez plus besoin, vous pourriez le jeter au compost ou le laisser dans la nature. Après deux mois, le condensateur se sera décomposé en ses composants, ne laissant que quelques particules de carbone visibles. Les chercheurs ont déjà essayé cela, aussi.
"Cela peut paraître simple, mais ça ne l'était pas", déclare Xavier Aeby du laboratoire Cellulose & Wood Materials de l'Empa. "Il a fallu une longue série de tests jusqu'à ce que tous les paramètres soient corrects, que tous les composants sortent de l'imprimante de manière fiable et que le condensateur fonctionne. Et en tant que chercheurs, nous ne voulons pas procéder par tâtonnement, nous voulons comprendre ce qui se passe à l'intérieur de nos matériaux."
Avec son superviseur Gustav Nyström, Aeby a développé et mis en œuvre le concept du dispositif de stockage d'électricité biodégradable. Aeby a étudié l'ingénierie des microsystèmes à l'EPFL et poursuit un doctorat à l'Empa. Nyström et son équipe étudient depuis des années les gels fonctionnels à base de nanocellulose. Ce matériau est non seulement une matière première renouvelable et respectueuse de l'environnement, mais aussi extrêmement polyvalent grâce à sa chimie interne.
"Le projet d'un système de stockage d'électricité biodégradable me tient à cœur depuis longtemps", déclare Nyström. "Nous avons demandé des fonds de recherche internes à l'Empa avec un projet intitulé "Batteries imprimées en papier" et avons pu commencer nos activités grâce à ces fonds. Maintenant, nous avons atteint un premier objectif".
Application dans Internet of Things
Selon Nyström et Aeby, le supercondensateur pourrait bientôt devenir un composant clé de l'internet des objets. "À l'avenir, de tels condensateurs pourraient être brièvement chargés à l'aide d'un champ électromagnétique, par exemple, puis ils fourniraient de l'énergie à un capteur ou à un microtransmetteur pendant des heures." Cela pourrait être utilisé, par exemple, pour vérifier le contenu de chaque paquet lors de son expédition. Il est également possible d'alimenter des capteurs dans le domaine de la surveillance de l'environnement ou de l'agriculture. Il n'est pas nécessaire de collecter à nouveau ces batteries, qui peuvent être laissées dans la nature pour se désintégrer.
Les tests de diagnostic rapide, qui sont actuellement en plein essor, contribueront également au nombre croissant d'appareils électroniques miniatures. Les petits dispositifs de test à utiliser au chevet du patient ou les dispositifs d'autodiagnostic pour les diabétiques en font partie. Le condensateur en cellulose biodégradable pourrait également être bien adapté à ce type d'applications, déclare Gustav Nyström.
