Il semble que vous puissiez imprimer en 3D à peu près n’importe quoi de nos jours. Nous avons vu Des voitures imprimées en 3D, des armes de poing imprimées en 3D et même un ordinateur mécanique assemblé sur mesure à partir de pièces imprimées en 3D. Mais au fond des laboratoires de recherche de Harvard, une équipe travaille dur sur un projet d’impression 3D qui a le potentiel de changer les appareils mobiles tels que nous les connaissons : une batterie imprimée en 3D entièrement opérationnelle, incroyablement petite. Et quand on dit petit, on veut dire vraiment petit : la pile a à peu près la taille d’un grain de sable et est plus fine qu’un cheveu humain.
Nous avons parlé à Jennifer Lewis, professeur Hansjörg Wyss d’ingénierie d’inspiration biologique à la Harvard School of Engineering and Applied Sciences, et membre de l’équipe responsable de la création de l’une des premières batteries imprimées en 3D au monde, des utilisations potentielles de ce source d’alimentation imprimée et comment l’impression 3D change l’avenir de la technologie.
Petite batterie, grand potentiel de puissance
Lewis et son équipe à Harvard ont reconnu le besoin d’une petite source d’alimentation personnalisable, en particulier celle qui pourrait être utilisée pour débloquer de nouvelles technologies miniaturisées. « La prolifération des dispositifs à micro-échelle tels que systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), les capteurs biomédicaux, les capteurs sans fil et les actionneurs nécessitent le développement de nouvelles batteries dont la taille et la forme peuvent être adaptées pour s’adapter aux petits appareils », a déclaré Lewis. « Nous savions que l’expertise en impression 3D de notre groupe de recherche pourrait jouer un rôle clé dans le développement de cette prochaine génération de batteries.
C’est similaire à une batterie de téléphone portable, sauf qu’elle est environ 15 000 fois plus petite.
Selon Lewis, la batterie lithium-ion rechargeable est « similaire à une batterie de téléphone portable, sauf qu’elle est environ 15 000 fois plus petite ». C’est beaucoup de puissance pour une si petite batterie. Mais n’allez pas penser que cette batterie de la taille d’un grain de sable est capable d’alimenter un Samsung Galaxy S3 pour l’instant – c’est un peu plus complexe que cela.
La batterie produit environ la même puissance par volume qu’une batterie de téléphone au lithium. Cependant, elles sont évidemment beaucoup plus petites que les batteries de téléphone standard. « La puissance produite par nos batteries imprimées en 3D pourrait certainement être augmentée en imprimant simplement des batteries plus grandes », a déclaré Lewis. Ainsi, une batterie « de la taille d’un grain » n’est pas capable d’alimenter un téléphone, ou quoi que ce soit de plus gros qu’un grain de sable d’ailleurs, mais elle pourrait alimenter un téléphone si une taille plus grande était imprimée.
Pas votre imprimante 3D moyenne
En clair, vous ne pouvez pas vous contenter d’imprimer ce type de batterie avec votre Makerbot Replicator 2X. L’équipe a utilisé un système de positionnement personnalisé de Aérotech qui est capable de positionner la buse d’impression avec une précision de 50 nanomètres (2 millionièmes de pouce). « Il s’agit de l’imprimante 3D la plus précise que nous ayons dans notre laboratoire, et c’est le haut degré de précision de l’imprimante qui nous a permis d’imprimer de si petites caractéristiques dans notre batterie », a déclaré Lewis.
Mais vous ne pouvez pas non plus simplement mélanger une batterie en plastique. L’équipe a introduit une encre spécialisée afin de donner sa charge à la minuscule cellule. Comment faites-vous juste « puissance d’impression? » La réponse réside dans une encre spécialisée à base d’oxyde de lithium métallique et de cathode. « L’anode et la cathode sont deux composants essentiels d’une batterie lithium-ion, car ces matériaux régissent en grande partie les processus de charge et de décharge », a déclaré Lewis. « Notre choix de matériaux joue un rôle important dans la détermination de la tension de la cellule, des densités d’énergie et de puissance, et de la durée de vie de la batterie imprimée. »
La raison pour laquelle les encres nécessitent une ingénierie spécialisée est double : les performances des cellules et le comportement d’écoulement. Lewis a expliqué que pour les performances des cellules, ils devaient emballer autant de matériau actif (oxyde de lithium métallique) dans l’encre par volume afin que des densités d’énergie et de puissance maximales en volume puissent être atteintes. « Cependant, nous devons équilibrer l’augmentation de la charge en solides avec cette capacité de l’encre à continuer de s’écouler à travers les fines buses de 30 microns. »
Possibilités illimitées
En plus d’avoir la capacité d’alimenter un téléphone portable, Lewis nous a dit que ces batteries pourraient être produites en série et seraient particulièrement utiles dans les applications qui nécessitent une personnalisation individualisée de la forme et de la taille de la batterie, comme les prothèses auditives, par exemple. « Les aides auditives sont personnalisées pour s’adapter spécifiquement aux oreilles de chaque patient, et ces piles pourraient être personnalisées pour s’adapter spécifiquement à chaque aide auditive personnalisée », a déclaré Lewis.
Les matériaux utilisés pour produire une seule batterie coûtent environ un cinquième de cent par batterie.
La technologie émergente de
nanorobotique
est également un destinataire potentiel de ces micro-batteries. » La taille et le poids des batteries traditionnelles les rendraient difficiles à intégrer dans des appareils robotiques miniaturisés, mais nos batteries imprimées en 3D sont parfaitement adaptées à cette application, en particulier lorsqu’elles sont associées à des capacités de récupération d’énergie embarquées. « , a déclaré Lewis.
Il ne s’agit pas non plus de technologies miniaturisées. Lewis nous a dit qu’il était possible d’imprimer une batterie plus grande. Cela signifie-t-il qu’il est possible d’imprimer une batterie d’ordinateur portable ? « Nous pouvons imprimer en 3D des batteries plus grandes pour ces types d’applications – cependant, les performances de la batterie seraient comparables aux batteries Li-ion commerciales existantes – au moins pour notre conception de première génération », a déclaré Lewis.
Nous serions ravis de voir une batterie d’ordinateur portable entièrement fonctionnelle juste « imprimée », et selon Lewis, le processus de création de ces batteries est à la fois peu coûteux et assez rapide. « Le temps d’impression pour chaque batterie n’est que de quatre minutes », a déclaré Lewis. « Les matériaux utilisés pour produire une seule batterie coûtent environ un cinquième de cent par batterie. »
L’avenir des batteries imprimables
Il s’agit de la première batterie de ce type, mais cela ne signifie pas que ce soit la dernière. La création du groupe Harvard fournit un modèle qui peut facilement être mis à niveau et personnalisé pour s’adapter à une variété de situations. « Nous aimerions continuer à optimiser les matériaux utilisés pour les encres d’anode et de cathode afin d’augmenter encore les performances des batteries imprimées, ainsi que d’améliorer la manière dont ces batteries sont emballées », a déclaré Lewis. Il sera intéressant de voir si des fabricants se joignent à cette technologie nouvellement découverte à l’avenir et tentent d’utiliser cette découverte qui change la donne.
Photos publiées avec l’aimable autorisation de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences
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