Des piles rechargeables imprimées pour l'IdO

Introduction

L'internet des objets (IoT) repose sur la collecte continue de données à partir d'un réseau de capteurs au fil du temps. Si certains capteurs peuvent être câblés, d'autres doivent être éloignés d'un réseau électrique et doivent pouvoir recueillir et transmettre leurs données sans fil.

Ces capteurs sans fil ont besoin d'une source d'énergie fiable capable de rester opérationnelle pendant de longues périodes, idéalement pendant plusieurs années. Une telle source d'alimentation doit être peu coûteuse, compacte et capable de s'intégrer dans le facteur de forme du capteur.

Les sources d'alimentation des capteurs IoT sans fil minces sont généralement basées sur des batteries encombrantes et non rechargeables ou des systèmes de récolte d'énergie reposant sur des sources d'énergie intermittentes telles que la lumière, la variation de pression ou la variation de température.

Des batteries rechargeables associées à un tel système de récolte d'énergie seraient très intéressantes dans ce contexte pour compenser à la fois la décharge de la batterie dans le temps et la nature irrégulière du système de récolte d'énergie. Les batteries imprimées offrent plusieurs avantages, notamment une flexibilité mécanique, des dimensions compactes et de faibles coûts de production.

Dans le passé, plusieurs sociétés ont produit et vendu des batteries imprimées, mais aucune solution de batterie imprimée rechargeable n'a été commercialisée jusqu'à présent. Dans cet article, nous présentons une nouvelle solution de batterie imprimée qui répond directement à ce défi. Nous discuterons de sa structure, de sa fonction, de ses spécifications et des multiples applications possibles que nous prévoyons pour les piles imprimées rechargeables.

Piles imprimées

L'électronique imprimée est une méthode de production innovante offrant de nombreux avantages. Elle est simple, rentable et respectueuse de l'environnement. Les composants sont imprimés à l'aide d'encres organiques composées de polymères solubles et de dispersions de particules. Les procédés d'impression tels que le jet d'encre ou la sérigraphie permettent de produire de gros volumes à faible coût.

Différents matériaux tels que les métaux, les semi-conducteurs ou les diélectriques peuvent être choisis et formulés en tant qu'encres imprimables, ce qui permet d'obtenir une grande variété de fonctions différentes. Ces encres peuvent être imprimées à grande échelle, déposées sur une variété de substrats flexibles ou rigides à des températures relativement basses, et ensuite intégrées dans de nombreux produits industriels ou de consommation. L'électronique imprimée est une technologie idéalement adaptée à la fabrication de capteurs sur des substrats souples. Cela leur permet d'être utilisés avec beaucoup d'efficacité dans des situations où l'espace manque pour les capteurs conventionnels.

La même technologie d'impression peut être appliquée à la production de batteries. Cependant, ce n'est que récemment qu'il a été possible d'imprimer des batteries rechargeables. Cette technologie innovante de batteries imprimables a été développée par Evonik en partenariat avec InnovationLab. Cette technologie, appelée TAeTTOOz, a été rachetée par InnovationLab pour une mise à l'échelle et une production de masse.

Comment cela fonctionne

Cette technologie de pointe de batterie imprimée rechargeable est basée sur des polymères redox-actifs et les méthodes d'impression conventionnelles peuvent être utilisées pour produire des batteries fines et flexibles qui peuvent stocker de l'énergie électrique sans nécessiter de métaux ou de composés métalliques dans leur système de stockage. Il est important de noter que les éléments de batterie produits à l'aide de la technologie TAeTTOOz ne nécessitent pas d'électrolyte liquide pour fonctionner, ce qui élimine intrinsèquement le risque de fuite et les dangers qui en découlent.

Dans les batteries Li-ion classiques (figure 1, à gauche), seuls les petits cations Li+ entrent et sortent des électrodes situées de part et d'autre de la batterie au cours d'un processus appelé "intercalation". Une batterie à base de polymère fonctionne différemment (figure 1, à droite). Ici, les anions et les cations se déplacent dans l'électrolyte pendant le cycle.

Figure 1 : Comparaison des principes de fonctionnement des batteries Li-ion classiques (à gauche) et des batteries TAeTTOOz (à droite).

La technologie de la batterie polymère repose sur des molécules organiques redox (polymères) dont les états redox peuvent être modifiés de manière réversible pendant les phases de charge et de décharge. Cela signifie essentiellement que le polymère redox peut subir à la fois une perte d'électrons (oxydation) et un gain d'électrons (réduction), les deux processus étant réversibles.

Les batteries TAeTTOOz sont composées de deux matériaux conducteurs à base de polymères qui servent de cathode et d'anode à l'intérieur de la batterie, et d'un troisième matériau ionique qui fonctionne comme un électrolyte à l'état solide (Figure 2). Les matériaux de la cathode et de l'anode sont optimisés pour stocker chimiquement les charges électriques fournies par une source d'énergie externe. Ceci est réalisé par un changement de leur état redox sous une tension de charge donnée pendant le processus de charge.

Figure 2 : Exemple de structure 3D d'une batterie rechargeable imprimée.

Lorsqu'une tension de décharge est appliquée, l'état d'oxydoréduction initial est rétabli de manière réversible et l'énergie peut être tirée de la batterie. L'électrolyte à l'état solide assure la compensation de la charge électrique dans la batterie grâce à la mobilité ionique.

Production

Les encres sont à base d'eau et peuvent être formulées pour répondre aux besoins spécifiques des clients. Elles ne nécessitent pas l'utilisation de solvants toxiques ou CMR (cancérigènes, mutagènes ou toxiques pour la reproduction). Grâce à la nature non toxique de ces encres organiques, les produits imprimés sont compatibles avec les déchets courants : Les piles rechargeables qui sont jetables !

Pour répondre à des besoins d'impression spécifiques, ces encres sont caractérisées en termes de taille de particules, de stabilité et de rhéologie (c'est-à-dire de caractéristiques d'écoulement). La combinaison de ces encres avec des traces conductrices imprimées sur un substrat permet d'imprimer à la fois les piles et les circuits de charge et de décharge associés en un nombre relativement faible d'étapes d'impression. Les substrats flexibles qui peuvent être utilisés comprennent des feuilles en polyimide (PI), en polyesters (PET, PEN) ou en polyuréthanes thermoplastiques (TPU).

En raison du fait intéressant que la batterie n'est pas sous tension avant sa première charge, les processus de production ultérieurs, tels que le prélèvement et le placement des composants, sont possibles sans risque d'endommagement par surtension. Ces batteries peuvent être imprimées du début à la fin sur des presses sérigraphiques standard, soit en mode de production continue rouleau à rouleau, soit en mode feuille à feuille.

Les dimensions latérales des piles imprimées sont généralement comprises entre 1 et 20 cm, et l'épaisseur totale ne dépasse pas 0,5 mm. Bien entendu, ces batteries peuvent également être empilées, pliées ou roulées pour concevoir des objets 3D à intégrer dans des systèmes existants.

L'utilisation de techniques d'impression universelles permet de fabriquer des batteries personnalisées de différentes tailles. La taille des batteries imprimées peut varier de quelques cm² à plusieurs m² avec certaines limitations de performance dans le cas de tailles extrêmes.

Applications et personnalisation

L'une des principales applications de la technologie de batterie TAeTTOOz est sa combinaison avec un capteur ou un réseau de capteurs couplé à l'un des divers composants de récolte d'énergie pour créer une unité entièrement autonome et auto-alimentée pour les applications IoT. Le même principe peut être utilisé dans la signalisation ou d'autres dispositifs similaires.

Plusieurs projets d'"unités de capteurs autonomes autoalimentées" sont en cours avec nos clients et partenaires, tant industriels qu'universitaires, dans lesquels une batterie rechargeable imprimée est combinée à un capteur de température ou d'humidité associé à une cellule solaire, une antenne RF imprimée ou un matériau piézoélectrique. Ce concept technologique a déjà été appliqué et prouvé avec succès avec l'utilisation de cellules solaires photovoltaïques organiques (OPV) imprimées.

Les spécifications techniques des batteries sont définies par la disposition choisie. Des capacités de batterie de 0,1 à 0,2 mAh/cm² à une tension de fonctionnement de 1,2 V sont généralement atteintes. La capacité et la tension mentionnées déterminent les applications cibles. Il est évident qu'elles sont trop faibles pour alimenter des LED ou des appareils de chauffage puissants, mais optimales pour les applications à faible puissance telles que l'alimentation de capteurs dans les étiquettes et les patchs intelligents.

Grâce au processus de sérigraphie, la conception des cellules est totalement libre (figure 3), avec des conceptions verticales ou coplanaires entièrement possibles. Pour atteindre des tensions plus élevées, la technologie d'impression permet de connecter plusieurs cellules en série (figure 3, à droite). Par exemple, en connectant deux cellules en série, on obtient 2,4 V. Le nombre d'étapes d'impression reste constant pour une disposition coplanaire et augmente pour les conceptions empilées verticalement.

Figure 3 : Liberté de conception offerte par la sérigraphie illustrée par un dessin fractal Peano (à gauche) et un dessin de batterie à deux cellules (à droite) dans lequel deux cellules de batterie sont connectées en série.

Fiabilité et caractéristiques générales

Jusqu'à présent, ces batteries ont été principalement utilisées dans des installations de démonstration et à des fins de recherche et développement. Les batteries ont maintenant été entièrement caractérisées en termes de performances dans diverses conditions de charge, avec des mesures d'autodécharge et cycliques enregistrées. La capacité de la batterie atteinte se rapproche du maximum théorique réalisable avec les matériaux utilisés - actuellement, elle se situe entre 70 % et 80 % pour les batteries imprimées.

Les performances et la fiabilité des batteries imprimées dépendent d'une multitude de facteurs, notamment la géométrie d'impression, la machine d'impression utilisée, l'épaisseur et la fiabilité de la couche imprimée résultante, la configuration de la batterie, le substrat, l'encapsulation, etc.

La stabilité cyclique des matériaux de l'anode et de la cathode dépasse 500 cycles pour une rétention de capacité supérieure à 80 %, lorsqu'ils sont utilisés comme matériaux individuels dans des piles boutons. La stabilité à long terme dépend essentiellement de la technologie d'encapsulation utilisée. InnovationLab fournira plus d'informations sous peu, après l'achèvement complet du transfert de technologie d'Evonik.

Conclusion

Les batteries imprimées sont fines, légères et flexibles. Elles peuvent constituer une solution rentable pour les capteurs sans fil industriels et d'autres applications IoT. La nouvelle technologie TAeTTOOz permet d'imprimer à l'échelle industrielle des batteries solides flexibles et rechargeables, avec Heidelberg Printed Electronics comme partenaire de fabrication des InnovationLabs. Ces batteries imprimées sont également notablement plus sûres et plus respectueuses de l'environnement que les batteries traditionnelles à base de métal.

Bientôt, InnovationLab fournira à la fois les matériaux d'impression et le savoir-faire pour la conception, l'impression et la caractérisation des batteries imprimées. La société produira et vendra également sa gamme exclusive de piles imprimées à ses clients, permettant ainsi la conception et l'utilisation de piles rechargeables imprimées dans toute l'industrie.

A propos de nous

InnovationLab est le spécialiste de l'électronique imprimée et organique, et plus particulièrement des capteurs de pression imprimés et flexibles. Nous fournissons des solutions d'impression sur mesure pour les défis de R&D de nos clients. Notre expertise repose sur une solide compréhension des matériaux, des processus et des technologies d'impression qui sont essentiels pour le développement de systèmes électroniques flexibles et hybrides. En collaboration avec nos partenaires du monde universitaire et de l'industrie, tels que BASF SE, SAP SE, Heidelberger Druckmaschinen AG, l'Institut de technologie de Karlsruhe et l'Université de Heidelberg, nous élargissons continuellement notre portefeuille dans le domaine de l'électronique imprimée. Notre équipe de gestion du cluster coordonne la communauté agile, composée de partenaires sur place et dans le réseau étendu.

Nous proposons des services dans le domaine de la recherche et du développement, de la production pilote et industrielle ainsi que du conseil et de la gestion des installations. Ici, l'accent est mis sur l'accompagnement des clients depuis leur première idée jusqu'à la production industrielle de leur produit - du LAB-2-FAB. Nous sommes en mesure de prendre le relais à n'importe quel stade du développement et nous conduirons les produits de nos clients vers le succès, conformément à leurs besoins individuels.

Pour la production industrielle, nous avons un partenaire solide à nos côtés, Heidelberger Druckmaschinen AG, qui imprime des capteurs en 3 équipes sur son site de production. [This is automatically translated from English]