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Miniaturisation des batteries redox pour autonomiser les appareils électroniques de demain - Par : Hanen Hattab,

Miniaturisation des batteries redox pour autonomiser les appareils électroniques de demain


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Cet article s’intéresse à une nouvelle avancée dans les technologies des batteries à flux qui participera à la miniaturisation et l’autonomie des petits appareils électroniques. Des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich et de l’IBM Research Zurich ont créé une batterie redox vanadium (ou batterie à oxydoréduction au vanadium) qui alimente les puces électroniques en énergie et dissipe la chaleur qu’elles dégagent.

Concept et fonctionnement

Le concept consiste à intégrer cette minuscule batterie aux composantes électroniques telles que les microprocesseurs et les diodes électroluminescentes. Il s’agit d’assembler une puce multicouche comportant une puce d’ordinateur, suivie par une mince batterie microcellule qui fournit la puce en électricité et la refroidit, suivie par une autre puce d’ordinateur et ainsi de suite. Cela signifie que les prochaines puces électroniques, dans lesquelles des puces sont empilées pour économiser l’espace et l’énergie, seront selon Dimos Poulikakos, professeur de thermodynamique au Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies, complètement autonomes. Notons que les piles redox qui sont actuellement offertes sur le marché représentent des désavantages qui vont à l’encontre de leur intégration dans les petites composantes et les appareils à usage privé. En effet, leur ratio énergie/volume est relativement bas. De plus, leur système coûteux présente des risques de toxicité et est complexe comparé aux batteries standards. Les batteries à flux existants sont utilisées dans les technologies stationnaires de stockage de l’électricité, comme dans les parcs éoliens et les centrales solaires, pour stocker temporairement l’énergie produite et l’utiliser ultérieurement.

Fonctionnement des batteries redox

Dans la batterie à écoulement réalisée par cette équipe, une réaction électrochimique est utilisée pour produire de l’électricité à partir de deux électrolytes liquides pompés dans la cellule de la batterie depuis l’extérieur. Ces électrolytes aqueux dissipent l’excès de chaleur tout en empruntant le même circuit en boucle fermée. L’épaisseur de la batterie est de 1,5 millimètre. L’énergie produite par cette nouvelle microbatterie a atteint également un record concernant le ratio énergie/superficie. En effet, elle est capable de libérer 1,4 watt par centimètre carré de surface. Même quand on soustrait la puissance requise pour pomper les électrolytes liquides dans la batterie, la densité de puissance nette résultante est encore de 1 watt par centimètre carré. En outre, les électrolytes utilisent des concentrations modérées de 0,4 M K4Fe (CN)6 et 0,2 M 2,6-dihydroxyanthraquinone dans l’électrolyte alcalin.

Selon les chercheurs, le défi le plus important dans la construction de cette nouvelle pile a été le circuit d’électrolytes. En effet, il a fallu maintenir la puissance de pompage aussi faible que possible dans les réseaux micro-fluidiques à passages multiples qui représentent la configuration interne de la boucle fermée. Les réactions électrochimiques se produisent dans deux couches d’électrode minces et poreuses qui sont séparées par une membrane. Les chercheurs ont utilisé une technologie d’impression 3D pour construire un système de canaux en polymères qui facilite la circulation du liquide d’électrolyte dans la couche d’électrode poreuse. Après les tests, une structure en zigzag de canaux sous forme conique aiguë s’est avérée le modèle le plus approprié aux contraintes de circulation des fluides.

Applications et perspectives industrielles

Les chercheurs ont noté que cette batterie peut optimiser le fonctionnement d’autres applications à savoir par exemple les lasers, qui doivent être constamment alimentés en énergie et refroidis, les cellules solaires, où l’électricité produite pourrait être stockée directement dans la cellule de la batterie et utilisée plus tard. Son système pourrait également maintenir la température de fonctionnement de la cellule solaire au niveau idéal.

Les scientifiques ont pu réaliser un premier prototype fonctionnel d’une petite batterie à flux. Bien que sa densité de puissance soit très élevée, l’électricité produite n’est pas encore entièrement suffisante pour faire fonctionner une puce. En outre, les grandes batteries à flux pourraient également avoir un meilleur rendement en forçant les liquides d’électrolytes à passer au travers d’électrodes poreuses. À cette étape, pour perfectionner le prototype il faut collaborer avec des partenaires industriels.

Les chercheurs qui ont contribué à cette recherche sont Julian Marschewski, Lorenz Brenner, Neil Ebejer, Patrick Ruch, Bruno Michel et Dimos Poulikakos. Leur étude intitulée « 3D-printed fluidic networks for high-power-density heat-managing miniaturized redox flow batteries » a été publiée le 31 janvier 2017 au journal Energy and Environnemental Science.

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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