Une équipe de chercheurs de l’Empa a mis au point une pile en papier jetable activée par l’eau. Selon les chercheurs, elle pourrait être utilisée pour alimenter une large gamme d’appareils électroniques jetables à faible puissance et à usage unique – tels que des étiquettes intelligentes pour le suivi d’objets, des capteurs environnementaux et des appareils de diagnostic médical – et minimiser leur impact environnemental. L’étude de démonstration de principe a été publiée dans la revue Scientific Reports.
La batterie en papier est composée de deux cellules électrochimiques aux deux extrémités de la bande de papier, séparées par une barrière d’eau (entre les lettres « m » et « p ») et connectées en série. Image : Empa
La batterie, conçue par Gustav Nyström et son équipe, est constituée d’au moins une cellule mesurant un centimètre carré et composée de trois encres imprimées sur une bande de papier rectangulaire. Du sel, en l’occurrence du chlorure de sodium ou sel de table, est dispersé dans la bande de papier et l’une de ses extrémités les plus courtes a été plongée dans de la cire.
Une encre contenant des flocons de graphite, qui constitue l’extrémité positive de la pile (la cathode), est imprimée sur l’un des côtés plats du papier, tandis qu’une encre contenant de la poudre de zinc, qui constitue l’extrémité négative de la pile (l’anode), est imprimée sur l’envers du papier. Une autre encre contenant des paillettes de graphite et du noir de carbone est imprimée sur les deux faces du papier, par-dessus les deux autres encres. Cette encre constitue les collecteurs de courant qui relient les extrémités positive et négative de la pile à deux fils, situés à l’extrémité du papier recouverte de cire.
Lorsqu’une petite quantité d’eau est ajoutée, les sels contenus dans le papier se dissolvent et des ions chargés sont libérés, rendant ainsi l’électrolyte ioniquement conducteur. Ces ions activent la pile en se dispersant dans le papier, ce qui a pour effet d’oxyder le zinc de l’encre à l’anode et de libérer des électrons. En fermant le circuit (externe), ces électrons peuvent alors être transférés de l’anode contenant du zinc – via l’encre contenant du graphite et du noir de carbone, les fils et le dispositif – à la cathode en graphite où ils sont transférés à l’oxygène de l’air ambiant – et donc le réduisent. Ces réactions redox (réduction et oxydation) génèrent ainsi un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter un appareil électrique externe.
Une pile en papier imprimée au pochoir, conçue pour épeler le nom de notre institut de recherche (« Empa »). La pile peut faire fonctionner des appareils électroniques de faible puissance tels que le réveil à affichage à cristaux liquides (LCD) connecté à la pile. Image : Empa
Pour démontrer la capacité de leur batterie à faire fonctionner des appareils électroniques de faible puissance, l’équipe de Gustav Nyström a combiné deux cellules en une seule batterie pour augmenter la tension de fonctionnement et l’a utilisée pour alimenter un réveil avec un écran à cristaux liquides. L’analyse des performances d’une batterie à une cellule a révélé qu’après l’ajout de deux gouttes d’eau, la batterie s’activait en 20 secondes et, lorsqu’elle n’était pas connectée à un appareil consommateur d’énergie, elle atteignait une tension stable de 1,2 volt. La tension d’une pile alcaline AA standard est de 1,5 volt.
Après une heure, les performances de la pile à une cellule ont considérablement diminué en raison du séchage du papier. Cependant, après que les chercheurs aient ajouté deux gouttes d’eau supplémentaires, la pile a maintenu une tension de fonctionnement stable de 0,5 volt pendant plus d’une heure supplémentaire.
Selon les chercheurs, la biodégradabilité du papier et du zinc pourrait permettre à leur batterie de minimiser l’impact environnemental des appareils électroniques jetables et de faible puissance. « La particularité de notre nouvelle batterie est que, contrairement à de nombreuses batteries métal-air utilisant une feuille de métal qui se consume progressivement au fur et à mesure que la batterie s’épuise, notre conception permet de n’ajouter à l’encre que la quantité de zinc réellement nécessaire à l’application spécifique », explique Gustav Nyström.
Les feuilles de métal étaient plus difficiles à contrôler et n’étaient pas toujours entièrement consommées, ce qui entraînait un gaspillage de matériaux. Ainsi, plus l’encre contient de zinc, plus la batterie est capable de fonctionner longtemps.
Un point plus critique de la conception actuelle de la batterie avec activation par l’eau, ajoute Gustav Nyström, est le temps qu’il faut pour que la batterie sèche. « Mais je suis sûr qu’il est possible de modifier la conception de la batterie pour contourner ce problème ». Pour les applications de détection environnementale à une certaine humidité ou dans des environnements humides, le séchage du papier ne serait toutefois pas un problème.
Deux technologies complémentaires
Auparavant, l’équipe de Gustav Nyström avait déjà mis au point un super condensateur dégradable à base de papier qui pouvait être chargé et déchargé des milliers de fois sans perdre son efficacité. Par rapport aux batteries de même poids, les supercondensateurs ont une densité énergétique environ dix fois plus faible, tout en ayant une densité de puissance environ dix à cent fois plus élevée.
Les supercondensateurs peuvent donc être chargés et déchargés beaucoup plus rapidement. Ils peuvent également supporter beaucoup plus de cycles de charge et de décharge. « Les deux dispositifs sont donc complémentaires », explique Gustav Nyström. L’idée derrière la nouvelle batterie activée par l’eau était de pouvoir fabriquer des dispositifs entièrement chargés qui ne libèrent cette énergie qu’après le déclenchement d’un stimulus, en l’occurrence une simple goutte d’eau.
https://www.empa.ch/web/s604/wasser-aktivierte-batterie
https://www.empa.ch/web/s604/papierbatterie
https://www.nature.com/articles/s41598-022-15900-5
