Comment fonctionne la pile papier jetable qui s’active avec une goutte d’eau

Comment Fonctionne La Pile Papier Jetable Qui S'active Avec Une

Développé par une équipe de recherche de l’EMPA, il pourrait être utilisé pour alimenter une large gamme d’appareils électroniques à usage unique de faible puissance, tels que des étiquettes intelligentes, des capteurs environnementaux et des appareils de diagnostic médical.

La batterie papier est constituée de deux cellules électrochimiques connectées en série aux deux extrémités de la bande de papier, séparées par une barrière d'eau (entre les lettres « m » et « p » / crédit : Empa

La batterie papier est constituée de deux cellules électrochimiques connectées en série aux deux extrémités de la bande de papier, séparées par une barrière d’eau (entre les lettres « m » et « p » / crédit : Empa

On parle beaucoup sur le web d’une pile papier jetable innovante, qui s’active simplement avec quelques gouttes d’eau et promet de révolutionner le monde des technologies de l’énergie et de l’électronique : son développement est dû à une équipe de recherche de l’Institut fédéral suisse Laboratoires pour la science et la technologie des matériaux (EMPA) dirigés par le professeur Gustav Nyström du Département des sciences et technologies de la santé de l’ETH Zurich, qui a conçu une technologie de l’énergie vert capable de fournir une densité d’énergie pour faire fonctionner une large gamme d’appareils électroniques de faible puissance, tels que des étiquettes intelligentes, des capteurs environnementaux et des appareils de diagnostic médical, tout en minimisant leur impact environnemental. Mais comment ça fonctionne?

Comme décrit dans un article publié par les chercheurs dans la revue Rapports scientifiques de La nature, la batterie est composée d’au moins une cellule électrochimique métal-air d’un centimètre carré, imprimée avec trois types d’encres différentes sur une petite bande de papier rectangulaire : la première encre à base de poudre de zinc est imprimée sur une face du papier, qui constitue le pôle négatif de la batterie (anode), tandis que de l’autre côté est placée une encre contenant des flocons de graphite, qui agit comme un pôle positif (cathode). Enfin, une troisième encre contenant des flocons de graphite et du noir de carbone (un pigment) est imprimée sur les deux faces du papier, au-dessus des deux autres encres. Sur le papier, qui a pour tâche de séparer les deux électrodes, un électrolyte est appliqué – dans ce cas simplement du chlorure de sodium ou du sel de table – et l’une de ses extrémités les plus courtes est trempée dans de la cire.

« En plus de la biodégradabilité inhérente, de la durabilité et du faible coût du papier, cette conception tire parti de son comportement de mèche naturel et de sa nature hygroscopique – précisent les érudits -. La batterie reste inactive jusqu’à ce qu’elle entre en contact avec de l’eau, qui est ensuite passivement absorbée et transportée à travers la membrane en papier, activant ainsi la batterie« .

En d’autres termes, une fois quelques gouttes d’eau ajoutées, les sels à l’intérieur du papier se dissolvent sur toute la bande et les ions chargés sont libérés, rendant ainsi l’électrolyte conducteur ionique. Ces ions activent la batterie, provoquant l’oxydation du zinc à l’anode, ce qui libère des électrons. « En fermant le circuit, ces électrons peuvent alors être transférés de l’anode contenant du zinc à la cathode en graphite, où ils sont à leur tour transférés (réduits) l’oxygène de l’air ambiant. – précisent les érudits -. Ces réactions redox génèrent alors un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter un appareil électrique externe« .

(a) illustration de la batterie en papier activé par l'eau ;  (b) image d'une batterie à cellule unique ;  c) photographie d'une pile de papier imprimé portant le nom de l'institut de recherche (Empa);  (d) batterie avec deux cellules électrochimiques séparées par une barrière d'eau et connectées en série ;  (e) illustration de la batterie avec son circuit superposé équivalent (pour les sources de tension) / Rapports scientifiques

(a) illustration de la batterie en papier activé par l’eau ; (b) image d’une batterie à cellule unique ; c) photographie d’une pile de papier imprimé portant le nom de l’institut de recherche (Empa); (d) batterie avec deux cellules électrochimiques séparées par une barrière d’eau et connectées en série ; (e) illustration de la batterie avec son circuit superposé équivalent (pour les sources de tension) / Rapports scientifiques

Pour démontrer la capacité de leur batterie à alimenter des appareils électroniques à faible consommation d’énergie, l’équipe de Nyström a combiné deux cellules dans une batterie pour augmenter la tension de fonctionnement, en l’utilisant pour faire fonctionner un réveil avec un écran à cristaux liquides.

L’analyse des performances d’une seule cellule a révélé qu’après avoir ajouté deux gouttes d’eau, la batterie s’activait en 20 secondes et, lorsqu’elle n’était pas connectée à un appareil consommant de l’énergie, atteignait une tension stable de 1,2 volts. En comparaison, la tension d’une pile alcaline AA standard est de 1,5 volt. Au bout d’une heure, les performances ont nettement diminué du fait du séchage du papier. Cependant, après que les chercheurs ont ajouté deux autres gouttes d’eau, la batterie a maintenu une tension de fonctionnement stable de 0,5 volt pendant plus d’une heure supplémentaire.

La biodégradabilité du papier et du zinc, soulignent les chercheurs, pourrait permettre à ce type de batterie de minimiser l’impact environnemental de l’électronique jetable à faible consommation. « La particularité de notre appareil est que, contrairement à de nombreuses batteries métal-air qui utilisent une feuille métallique qui s’use progressivement au fur et à mesure que la batterie s’épuise, sa conception vous permet d’utiliser la quantité de zinc réellement nécessaire pour l’application spécifique, en l’ajoutant à l’encre utilisé lors de l’impression – a expliqué Nyström -. Les feuilles métalliques, en revanche, sont plus difficiles à contrôler et ne s’usent pas toujours complètement, ce qui entraîne 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 activée par l’eau, a souligné l’expert, est le temps qui s’écoule avant que le papier ne sèche, tout en rassurant que, pour contourner ce problème, il est toujours possible de concevoir la batterie d’une manière différente. Cependant, pour les applications de détection environnementale à une certaine humidité ou dans des environnements humides, le séchage du papier n’empêcherait clairement pas son application.