La pile biodégradable
Le nombre de micro-appareils émettant des données, par exemple dans le domaine de l'emballage et de la logistique de transport, va fortement augmenter à l'avenir. Tous ces appareils ont besoin d'énergie, mais la quantité de piles nécessaires à cet effet aurait un impact énorme sur l'environnement. Les chercheurs de l'Empa ont développé un mini-condensateur compostable qui peut résoudre ce problème. Il se compose uniquement de carbone, de cellulose, de glycérine et de sel de cuisine - et il fonctionne de manière fiable.
L'installation de fabrication pour la révolution des batteries a l'air plutôt inoffensive : Il s'agit d'une imprimante 3D modifiée, disponible dans le commerce, qui se trouve dans une pièce du bâtiment du laboratoire de l'Empa. La véritable innovation réside dans la recette des encres gélatineuses que cette imprimante peut projeter sur une surface. Le mélange en question est composé de nanofibres de cellulose et de nanocristaux de cellulose, auxquels s'ajoute du carbone sous forme de suie, de graphite et de charbon actif. Pour liquéfier tout cela, les chercheurs utilisent de la glycérine, de l'eau et deux types d'alcool différents. À cela s'ajoute une pincée de sel de cuisine pour la conductivité ionique.
Un sandwich composé de quatre couches
Pour construire un supercondensateur fonctionnel à partir de ces ingrédients, il faut quatre couches, qui sortent toutes l'une après l'autre de l'imprimante 3D : un film flexible, une couche conductrice de courant, puis l'électrode et enfin l'électrolyte. Le tout est ensuite plié comme un sandwich, avec l'électrolyte au milieu.
Ce qui en résulte est un miracle écologique. Le mini-condensateur du laboratoire de l'Empa est capable de stocker du courant pendant des heures et d'alimenter dès à présent une petite horloge numérique. Il résiste à des milliers de cycles de charge et de décharge et probablement aussi à des années de stockage, même à des températures glaciales. En outre, le condensateur résiste à la pression et aux chocs.
Alimentation électrique biodégradable
Mais le meilleur dans tout ça, c'est que lorsqu'on n'en a plus besoin, on peut le jeter au compost ou simplement le laisser dans la nature. Au bout de deux mois, le condensateur s'est décomposé en ses composants, il ne reste de lui que quelques particules de charbon visibles. Les chercheurs ont également déjà essayé cette méthode.
"Cela semble très simple, mais ça ne l'était pas du tout", explique Xavier Aeby du département "Cellulose & Wood Materials" de l'Empa. De longues séries d'essais ont été nécessaires pour que tous les paramètres soient corrects, que tous les composants sortent de l'imprimante de manière fiable et que le condensateur fonctionne finalement. Aeby : "En tant que chercheurs, nous ne voulons pas seulement faire des essais, mais aussi comprendre ce qui se passe à l'intérieur de nos matériaux".
C'est avec son chef Gustav Nyström qu'Aeby a développé et mis en œuvre le concept de stockage d'électricité biodégradable. Aeby a étudié la technique des microsystèmes à l'EPFL et a rejoint l'Empa pour sa thèse de doctorat. Nyström et son équipe mènent depuis des années des recherches sur des gels fonctionnels à base de nanocellulose. Ce matériau n'est pas seulement une matière première écologique et renouvelable, mais il est aussi extrêmement polyvalent grâce à sa chimie interne.
"Le projet d'un accumulateur d'énergie compostable me tenait à cœur depuis longtemps", explique Nyström. "Nous avons postulé pour des fonds de recherche internes à l'Empa avec notre projet 'Printed Paper Batteries' et avons ensuite pu démarrer nos activités avec ces fonds. Nous avons maintenant atteint un premier objectif".
Application dans l'"Internet des objets
Le supercondensateur pourrait bientôt devenir un composant clé de l'"Internet des objets", prévoient Nyström et Aeby. "A l'avenir, on pourrait par exemple charger brièvement de tels condensateurs à l'aide d'un champ électromagnétique, ils fourniraient alors pendant des heures du courant pour un capteur ou un micro-émetteur". Cela permettrait par exemple de vérifier le contenu de certains paquets pendant le trajet d'expédition. On pourrait également envisager d'alimenter en électricité des capteurs dans le cadre de la surveillance de l'environnement ou de l'agriculture - il ne serait pas nécessaire de récupérer ces piles, mais on pourrait simplement les laisser dans la nature une fois le travail effectué.
Le diagnostic de laboratoire à proximité du patient ("Point of Care Testing"), actuellement en plein essor, contribuera également à l'augmentation du nombre de petits appareils électroniques. Il s'agit notamment de petits appareils de test utilisés au chevet des patients ou d'appareils d'autotest pour les diabétiques. Gustav Nyström est convaincu que le condensateur en cellulose compostable pourrait également convenir à de telles applications.
