La batterie lithium-ion extensible 2024 ouvre de nouveaux domaines technologiques

La batterie lithium-ion extensible représente une innovation significative dans le domaine de la technologie portable. Ces batteries sont conçues pour être flexibles et durables, ce qui les rend idéales pour un large éventail d'applications, des montres intelligentes aux appareils médicaux. Alors que la demande d’électronique extensible continue de croître, ces batteries avancées sont appelées à jouer un rôle crucial dans l’avenir de l’électronique grand public et des technologies de santé.

Stretchable lithium ion battery unlocks new tech fields - manly

Batterie lithium-ion extensible : une nouvelle ère dans la technologie portable

Aperçu du marché

En 2022, le marché mondial des produits extensiblesbatteries lithium-ionétait évalué à 175,7 millions de dollars. Ce marché devrait croître rapidement au rythme de 23,0 % sur la période de prévision. La demande croissante de batteries extensibles dans les appareils portables tels que les montres intelligentes et les téléphones est un facteur majeur de cette croissance. Ces batteries sont essentielles pour alimenter les appareils adaptatifs qui nécessitent de la flexibilité, par exemple en étant pliables, en torsion et ultra-minces pour résister à la déformation mécanique pendant l'utilisation.

Applications et avantages

L'électronique extensible, y compris ces batteries avancées, joue un rôle essentiel dans l'amélioration de la fonctionnalité et de l'expérience utilisateur de la technologie portable. Leur conception légère et compacte les rend idéales pour les appareils portables, leur permettant de s'intégrer dans les espaces disponibles et de réduire le poids et la taille des produits. Ces batteries sont spécialement conçues pour supporter la flexion, l'étirement et d'autres forces mécaniques, ce qui les rend plus durables que les batteries rigides traditionnelles. Cette durabilité améliorée est particulièrement bénéfique pour les appareils portables qui subissent des mouvements et des flexions réguliers.

Les avancées technologiques

Les progrès récents dans la technologie des batteries lithium-ion extensibles devraient stimuler la croissance du marché. La demande croissante de dispositifs portables avancés, d'appareils électroniques implantables tels que les stimulateurs cardiaques et de dispositifs portables souples utilisés en milieu urbain a suscité l'intérêt pour la création de batteries ayant des propriétés similaires à celles de la peau et des organes humains. Par exemple, en mars 2022, une équipe de recherche coréenne a développé une batterie au lithium souple, mécaniquement déformable et extensible, adaptée aux appareils portables. Ils ont testé son potentiel en imprimant la batterie sur des vêtements. Cette batterie intègre des matériaux lithium-ion existants et atteint une densité de stockage d'énergie d'environ 2,8 mWh/cm², comparable aux batteries lithium-ion rigides disponibles dans le commerce fonctionnant à 3,3 V ou plus.

Défis et considérations

Malgré les avancées prometteuses, le marché reste confronté à des défis. La torsion répétée des batteries flexibles peut provoquer des fissures dans les couches d’électrodes, entraînant la rupture des matériaux actifs et entravant la croissance du marché. Ce problème provient principalement de la force d’adhésion limitée entre les matériaux des électrodes et les collecteurs de courant. De plus, une torsion continue peut augmenter la résistance interne de la batterie, affectant ainsi ses performances. Il existe également des inquiétudes concernant la batterie elle-même ; par exemple, les films plastiques en aluminium utilisés dans les batteries au lithium standard peuvent se froisser dans les batteries flexibles, provoquant potentiellement des fuites si les couches d'électrodes sont percées.

Batterie lithium-ion extensible : innovations et applications

La « Jelly Batterie » de l'Université de Cambridge

Au Royaume-Uni, des chercheurs de l’Université de Cambridge ont développé une nouvelle batterie lithium-ion extensible inspirée des anguilles électriques. Ils l’ont surnommée « batterie gelée » en raison de sa conception unique. Cette batterie imite la structure en couches du tissu de l'anguille électrique, qui est flexible et conductrice.

L'auteur principal, Stephen O'Neill, a déclaré dans un communiqué de presse : « Concevoir un matériau à la fois hautement extensible et hautement conducteur est un défi car ces propriétés sont généralement contradictoires. » La batterie de l'équipe de Cambridge utilise des hydrogels, qui sont des réseaux polymères contenant plus de 60 % d'eau. Ces structures peuvent s'étirer et reprendre leur forme originale sans perdre leur fonctionnalité.

Extensibilité et résilience exceptionnelles

L'étude a décrit la création d'un réseau de polyions supramoléculaires présentant une extensibilité élevée (> 1 500 %), une compressibilité (> 90 %) et une auto-récupération rapide. En raison des liaisons réversibles formées par des molécules composées, les couches de la batterie gelée ont une forte adhérence.

L’article note : « La réticulation supramoléculaire permet aux échantillons en couches de s’allonger plus de dix fois leur longueur initiale avant de se briser à l’interface. » Oren Scherman, professeur et directeur du Laboratoire de Melville pour la synthèse des polymères, a souligné la possibilité de personnaliser les hydrogels pour qu'ils correspondent aux propriétés mécaniques des tissus humains.

Applications médicales potentielles

L'équipe de l'Université de Cambridge a proposé que leur batterie de gelée puisse être implantée dans le cerveau pour administrer des médicaments ou pour traiter des maladies comme l'épilepsie. Les hydrogels, exempts de composants métalliques rigides, sont moins susceptibles d'être rejetés par l'organisme ou de provoquer une accumulation de tissu cicatriciel. De plus, les hydrogels présentent une ténacité remarquable, résistant à la déformation permanente sous compression et s’auto-réparant lorsqu’ils sont endommagés.

Implications plus larges

Le développement de ces technologies est une priorité mondiale. Le Forum économique mondial a classé les batteries flexibles parmi les « dix principales technologies émergentes de 2023 ». Ces avancées devraient élargir les possibilités des appareils portables, des applications IoT, des smartphones flexibles et des interfaces cerveau-ordinateur (BCI).

Innovations dans la technologie des batteries lithium-ion extensibles

Haute flexibilité et durabilité

Une équipe de l'Université de Nanjing en Chine a développé une batterie lithium-ion extensible qui reste très efficace après 70 cycles de charge et peut s'étirer jusqu'à 5 000 %. Cette innovation répond à la demande croissante de batteries dans l’électronique extensible, garantissant à la fois flexibilité et durabilité. Les moniteurs de santé portables et autres appareils électroniques flexibles nécessitent ces caractéristiques déformables.

Avancées structurelles

Lorsque nous pensons aux batteries, nous ne les considérons généralement pas comme flexibles. Cependant, pour que les composants électroniques extensibles fonctionnent efficacement, les batteries doivent également pouvoir se plier et s’étirer. La plupart des tentatives de création de telles batteries ont consisté à plier des pièces rigides dans des formes extensibles ou à utiliser des tissus conducteurs tissés. Mais pour une batterie véritablement extensible, chaque composant (les électrodes qui collectent la charge et la couche d'électrolyte intermédiaire qui équilibre la charge) doit être élastique.

Processus de fabrication

Pour fabriquer les électrodes d'une batterie entièrement élastique, l'équipe a appliqué un mince film de pâte conductrice contenant des nanofils d'argent, du noir de carbone et des matériaux à base de lithium sur une surface plane. Ensuite, ils ont ajouté une couche de polydiméthylsiloxane (PDMS), un matériau flexible souvent utilisé dans les lentilles de contact. En plus de cela, ils ont ajouté des sels de lithium, un liquide à haute conductivité et des ingrédients pour former un polymère élastique. Sous exposition à la lumière, ces composants se lient pour créer une couche de caoutchouc robuste qui peut s'étendre jusqu'à 5 000 % de sa longueur d'origine et conduire les ions lithium. L’ensemble a ensuite été scellé avec un autre film d’électrode et protégé par une couche externe.

Comparaison des performances

The new solid-state stretchable battery significantly outperformed traditional designs that use liquid electrolytes. It showed a sixfold increase in average charging capacity during rapid charging and maintained stable capacity over 67 charge-discharge cycles. In other prototypes using solid electrodes, the polymer electrolyte remained stable over 1000 cycles, with only a 1% capacity drop in the first 30 cycles compared to a 16% drop in liquid electrolyte batteries.

Batterie lithium-ion extensible : applications et informations sur le marché

Wearable Electronics

The stretchable lithium ion battery is a game-changer for the wearable electronics market. These batteries can bend, twist, and flex in sync with the devices they power, providing a seamless and comfortable user experience. Wearable devices like smartwatches and fitness trackers benefit greatly from these batteries as they can easily adapt to the shape of the wearer’s body, ensuring a comfortable fit with minimal added weight. This lightweight design is crucial for user comfort, especially during prolonged use.

Medical Devices

Dans le secteur de la santé, la batterie lithium-ion extensible devrait générer une croissance significative. Ces batteries ont le potentiel de révolutionner les dispositifs médicaux en permettant le développement d’une électronique flexible et implantable. Par exemple, ils peuvent être intégrés dans des bandages et des capteurs intelligents pour surveiller la cicatrisation des plaies, détecter les infections et transmettre rapidement des données vitales aux professionnels de santé. De plus, leur flexibilité les rend idéales pour les dispositifs implantables tels que les stimulateurs cardiaques et les stimulateurs neuronaux, réduisant ainsi l'inconfort et minimisant le risque de dommages aux tissus environnants.

Aperçus régionaux

L’électronique extensible connaît une adoption rapide dans différentes régions. L’Amérique du Nord devrait détenir la plus grande part de marché en raison de la participation active des principaux acteurs de la région. Par exemple, le 31 juillet 2023, des chercheurs de l’Université de Houston ont créé un prototype de batterie lithium-ion entièrement élastique à base de tissu. Cette approche innovante convertit les électrodes de batterie rigides en électrodes flexibles et extensibles, améliorant ainsi le potentiel des dispositifs portables et des biocapteurs implantables. L'utilisation d'un tissu conducteur en argent permet à la batterie de se plier et de s'étirer tout en conservant la conductivité électrique.

Dans la région Asie-Pacifique, la demande de batteries lithium-ion extensibles augmente rapidement. Le 31 octobre 2022, des chercheurs de l'université japonaise d'Hokkaido ont développé un film d'emballage élastique doté de capacités élevées de barrière contre les gaz et l'humidité, permettant aux batteries flexibles de fonctionner de manière fiable dans l'air. Cette avancée met en évidence l'engagement de la région à développer des batteries hautement flexibles pour les appareils portables.

L’Europe devrait également connaître une croissance substantielle du marché en raison de l’augmentation des investissements des organisations. Par exemple, le 28 avril 2022, Volkswagen et BP ont formé une alliance stratégique pour promouvoir l’adoption généralisée des véhicules électriques dans toute l’Europe. Ils ont présenté leur premier chargeur à Düsseldorf, en Allemagne, dans le but de construire un réseau de recharge rapide d'ici 2024. Cette initiative stimulera probablement la demande de technologies de batteries avancées, notamment de batteries lithium-ion extensibles, pour soutenir le marché en pleine croissance des véhicules électriques.

Ces innovations et développements régionaux indiquent un avenir prometteur pour les batteries lithium-ion extensibles, notamment en améliorant la fonctionnalité et l'expérience utilisateur des appareils électroniques portables et des dispositifs médicaux.

Conclusion

En conclusion, les progrès de la technologie des batteries lithium-ion extensibles sont sur le point de révolutionner diverses industries. Qu'il s'agisse d'améliorer la fonctionnalité et le confort des appareils portables ou de fournir de nouvelles solutions pour les implants médicaux, ces batteries offrent des avantages significatifs. À mesure que la recherche et le développement progressent, les applications potentielles de ces sources d’énergie flexibles et durables ne feront que s’étendre, stimulant ainsi la croissance et l’innovation sur le marché de l’électronique extensible.

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