Une batterie flexible capable d’être chargée sans fil et pliée et étirée est développée
Des chercheurs de la Northwestern University ont mis au point une batterie lithium-ion rechargeable sans fil qui peut s’étirer jusqu’à 300 % de sa taille d’origine tout en alimentant des composants électroniques extensibles.
Yonggang Huang de la Northwestern University et John A. Rogers de l’Université de l’Illinois sont les premiers à faire la démonstration d’une batterie lithium-ion extensible – un dispositif flexible capable d’alimenter leur électronique extensible innovante.
N’ayant plus besoin d’être reliés par un cordon à une prise électrique, les appareils électroniques extensibles pouvaient désormais être utilisés n’importe où, y compris à l’intérieur du corps humain. L’électronique implantable pourrait surveiller n’importe quoi, des ondes cérébrales à l’activité cardiaque, réussissant là où les batteries plates et rigides tomberaient en panne
.Huang et Rogers ont démontré une batterie qui continue de fonctionner – alimentant une diode électroluminescente (DEL) commerciale – même lorsqu’elle est étirée, pliée, tordue et montée sur un coude humain. La batterie peut fonctionner pendant huit à neuf heures avant de devoir être rechargée, ce qui peut se faire sans fil.
« Nous commençons avec de nombreux composants de batterie côte à côte dans un très petit espace, et nous les connectons avec de longues lignes ondulées serrées », a déclaré Huang, un auteur correspondant de l’article. « Ces fils offrent la flexibilité. Lorsque nous étirons la batterie, les lignes d’interconnexion ondulées se déroulent, un peu comme le déroulement du fil. Et nous pouvons étirer considérablement l’appareil tout en ayant une batterie qui fonctionne. »
La puissance et la tension de la batterie extensible sont similaires à celles d’une batterie lithium-ion conventionnelle de même taille, mais la batterie flexible peut s’étirer jusqu’à 300 % de sa taille d’origine et continuer à fonctionner.
Huang et Rogers travaillent ensemble depuis six ans sur l’électronique extensible, et la conception d’une alimentation sans fil a été un défi majeur. Maintenant, ils ont résolu le problème avec leur « technique de remplissage d’espace » intelligente, qui fournit une petite batterie haute puissance.
Pour leurs circuits électroniques extensibles, les deux ont développé la technologie « pop-up » qui permet aux circuits de se plier, s’étirer et se tordre. Ils ont créé un réseau de minuscules éléments de circuit connectés par des «ponts contextuels» en fil métallique. Lorsque le réseau est étiré, les fils – et non les circuits rigides – apparaissent.
Cette approche fonctionne pour les circuits mais pas pour une batterie extensible. Il faut beaucoup d’espace entre les composants pour que l’interconnexion « pop-up » fonctionne. Les circuits peuvent être suffisamment espacés dans un réseau, mais les composants de la batterie doivent être bien emballés pour produire une batterie puissante mais petite. Il n’y a pas assez d’espace entre les composants de la batterie pour que la technologie « pop-up » fonctionne.
La solution de conception de Huang consiste à utiliser des interconnexions en fil métallique qui sont de longues lignes ondulées, remplissant le petit espace entre les composants de la batterie. (Le courant passe par les interconnexions.)
Le mécanisme unique est un « ressort dans un ressort » : la ligne reliant les composants est une grande forme de « S » et à l’intérieur de ce « S » se trouvent de nombreux « S » plus petits. Lorsque la batterie est étirée, le grand « S » s’étire d’abord et disparaît, laissant une ligne de petits gribouillis. L’étirement se poursuit, les petits gribouillis disparaissant à mesure que l’interconnexion entre les électrodes devient tendue.
« Nous appelons cela un démêlage ordonné », a déclaré Huang. « Et c’est ainsi que nous pouvons produire une batterie qui s’étend jusqu’à 300% de sa taille d’origine. »
Le processus d’étirement est réversible et la batterie peut être rechargée sans fil. La conception de la batterie permet l’intégration de bobines inductives extensibles pour permettre la charge via une source externe mais sans avoir besoin d’une connexion physique.
Huang, Rogers et leurs équipes ont trouvé la batterie capable de 20 cycles de recharge avec peu de perte de capacité. Le système qu’ils rapportent dans l’article consiste en un réseau carré de 100 disques d’électrodes, connectés électriquement en parallèle.
Une batterie lithium-ion qui peut s’étirer et se recharger sans fil. Des chercheurs créent une batterie lithium-ion pouvant atteindre 300 % de sa taille d’origine
Historiquement, les batteries, avec des électrodes constituées de grandes plaques de graphite et de métal, sont à peu près aussi rigides que possible. Pliez une batterie d’ordinateur portable et, si vous êtes assez fort, elle se cassera (et peut-être explosera, alors s’il vous plaît ne l’essayez pas à la maison). Il y a aussi un électrolyte liquide toxique dans la plupart des batteries, ce qui signifie généralement que vous voulez un châssis dur et robuste pour arrêter toute fuite.
Si cela ne suffisait pas, la batterie extensible des chercheurs contient également l’antenne et les circuits – utilisant à nouveau des fils extensibles – pour être chargés sans fil par induction. Cela est probablement dû au fait qu’il est difficile de construire une prise de charge flexible, mais c’est aussi une très bonne nouvelle pour les dispositifs médicaux implantables, où la charge sans fil devient rapidement la norme.
Lors des tests, les chercheurs ont construit une batterie d’un pouce carré avec 100 cellules individuelles. Comme vous pouvez le voir sur l’image en haut de l’histoire, la batterie continue d’alimenter la LED même lorsqu’elle est considérablement étirée. Les chercheurs affirment que la batterie a résisté à 20 cycles de charge/décharge avec peu de perte de capacité, mais que « des efforts de développement supplémentaires pour améliorer la durée de vie seront nécessaires pour la commercialisation ».
À l’avenir, il s’agit certainement d’une avancée significative pour l’informatique portable et flexible – imaginez une batterie qui peut s’asseoir contre votre jambe ou votre ventre et fléchir avec vos mouvements. La densité de puissance de cette nouvelle batterie extensible n’est pas très élevée, mais avec un peu de travail, elle pourrait suffire à alimenter une poignée de capteurs et un petit ordinateur. Lorsqu’il est combiné avec d’autres développements récents, tels que les écrans flexibles , des haut-parleurs et des circuits, nous nous rapprochons vraiment d’un ordinateur véritablement portable.
Batteries au lithium-soufre super extensibles, thermostables et à très haute charge basées sur des cathodes de gel nanostructurales et des électrolytes de gel
Les batteries au lithium-soufre sont souhaitables pour les appareils électroniques portables et portables en raison de leur haute densité d’énergie, de leur faible coût et de leur respect de l’environnement. Ici, la fabrication de batteries Li-S super-extensibles basées sur des cathodes de gel hautement élastiques (contrainte de rupture : 1671 %), électrolytes de gel (contrainte de rupture : 1223 %), pièces d’anode Li interconnectées par fil de Cu en zigzag et emballages souples, est démontrée. Une approche d’inversion de phase est développée pour préparer des cathodes de gel composées d’un squelette de copolymère fluoré poreux 3D distribué de manière homogène, de réseaux conducteurs d’électrons entrelacés et de nanocomposites polaires hiérarchiques encapsulés dans du soufre. 
Les cathodes de gel hautement élastiques possèdent des structures tri-continues avec des macropores interpénétrés favorables à une charge élevée en soufre, à la perméation des électrolytes et au transport des ions. Les électrolytes en gel avec une matrice de copolymère en phase amorphe et des anions attachés présentent une conductivité ionique élevée, une stabilité thermique, une flexibilité et une suppression efficace de la croissance des dendrites Li. Les batteries Li‒S à emballage souple peuvent être étirées jusqu’à 420 % de leur longueur d’origine, fonctionnent normalement à 80 °C et offrent une capacité surfacique ultra élevée de 11,0 mAh cm−2 à une charge de soufre de 14 mg cm−2.
Batteries extensibles avec interconnexions serpentines auto-similaires et systèmes de recharge sans fil intégrés
Une tendance importante en électronique implique le développement de matériaux, de conceptions mécaniques et de stratégies de fabrication qui permettent l’utilisation de substrats non conventionnels, tels que des films polymères, des feuilles métalliques, des feuilles de papier ou des dalles de caoutchouc. La dernière possibilité est particulièrement difficile car les systèmes doivent s’adapter non seulement à la flexion mais aussi à l’étirement. Bien que plusieurs approches soient disponibles pour l’électronique, une difficulté persistante réside dans les alimentations ayant des propriétés mécaniques similaires, pour permettre leur co-intégration avec l’électronique. 
Nous introduisons ici un ensemble de matériaux et de concepts de conception pour une technologie de batterie lithium-ion rechargeable qui exploite des élastomères de silicone minces et à faible module comme substrats, avec une conception segmentée dans les matériaux actifs et des structures d’interconnexion «auto-similaires» inhabituelles entre eux. Le résultat permet des niveaux réversibles d’extensibilité jusqu’à 300 %, tout en maintenant des densités de capacité de ~1,1 mAh cm-2. Les systèmes de transmission d’énergie sans fil extensibles permettent de charger ces types de batteries, sans contact physique direct.
Les dispositifs exploitent des cellules de poche dans lesquelles des réseaux de composants de stockage à petite échelle sont connectés en conduisant des cadres avec des caractéristiques extensibles extraordinaires. Une illustration schématique du système, une vue éclatée de la construction multicouche d’une cellule unitaire et une représentation des géométries d’interconnexion «auto-similaires» apparaissent, et la Fig. S1 supplémentaire. Les collecteurs de courant sont constitués de disques circulaires à motifs photolithographiques en aluminium (600 nm) et en cuivre (600 nm). Des couches de polyimide (PI ; 1,2 μm) encapsulent des traces d’interconnexion entre ces disques de manière à placer les métaux à proximité du plan mécanique neutre (Fig. 1d, panneau de gauche). Des feuilles minces (0,25 mm) et à faible module (60 kPa) d’élastomère de silicone forment des substrats supérieur et inférieur qui supportent ces structures et d’autres composants des batteries. La construction globale consiste en un réseau carré de 100 disques d’électrodes, connectés électriquement en parallèle. Des coussinets moulés de boues à base de LiCoO2 et de Li4Ti5O12 servent de matières actives à la cathode et à l’anode23,24, respectivement.
Les deux feuilles se stratifient ensemble d’une manière qui implique des décalages spatiaux entre les matériaux actifs pour éviter les courts-circuits électriques entre eux et pour éliminer le besoin d’un séparateur. Une entretoise, faite du même élastomère de silicone et appliquée autour de la périphérie du système, empêche le contact direct des feuilles supérieure et inférieure. Un électrolyte en gel injecté dans l’espace fournit un milieu pour le transport ionique. De fines couches d’encapsulation d’un élastomère acryloxy perfluoropolyéther lié aux surfaces extérieures aident à empêcher l’humidité de se diffuser dans la batterie et les solvants du gel de s’échapper25. Un fonctionnement à long terme nécessite des ensembles plus sophistiqués constitués, par exemple, de feuilles bicouches en aluminium/PI déformées qui se lient aux surfaces extérieures de la batterie. Les matériaux et les détails de fabrication apparaissent dans la section Méthodes.
https://scitechdaily.com/a-lithium-ion-battery-that-can-stretch-and-be-recharged-wirelessly/
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520310843