Les écrans peuvent maintenant se plier – pourquoi pas les batteries ?

L’un des points d’attraction les plus discutés au Mobile World Congress de cette année était la démonstration du concept de téléphone pliable de Motorola. Le téléphone pouvait s’enrouler autour du poignet.

Bien que les écrans de téléphone entièrement flexibles existent depuis un certain temps, le téléphone concept de Motorola – pliable – était d’une autre catégorie.

Non seulement c’était un smartphone flexible de taille normale avec une caméra, mais il disposait d’une IA générative embarquée capable de créer une palette de couleurs assortie à la tenue du porteur en moins de 10 secondes. 

Alors que les téléphones pliables gagnent en popularité, aujourd’hui, nous aborderons le scénario des batteries. La question est la suivante : si les écrans peuvent maintenant se plier, pourquoi pas les batteries ?

Dans un développement récent, des chercheurs publiés dans ACS Energy Letters ont présenté une batterie lithium-ion avec des composants entièrement extensibles, y compris une couche d’électrolyte pouvant s’étendre jusqu’à 5000 %.

Le bon côté de cette batterie est que ses propriétés d’extensibilité ne nuisent pas aux performances de la batterie, car elle peut maintenir sa capacité de stockage de charge après près de 70 cycles de charge/décharge. 

Dans les sections suivantes, nous examinerons plus en détail les propriétés de cette batterie. 

Batteries pliables et extensibles pour alimenter les gadgets électroniques avec les mêmes propriétés

La recherche actuelle représente une percée dans ce domaine. En effet, jusqu’à présent, les tentatives de création de batteries pliables et extensibles ont cherché à utiliser des tissus conducteurs tissés ou des composants rigides pliés en formes extensibles comme cela se fait dans l’art japonais du pliage de papier, l’origami. 

Cependant, cette technique pose problème car une batterie réellement malléable doit être élastique dans chacune de ses parties, y compris les électrodes qui collectent la charge et les composants d’équilibrage de charge dans la couche d’électrolyte centrale. 

Mais aucun des prototypes que nous avons vus jusqu’à présent ne possède une élasticité complète. Au lieu de cela, ils offrent une élasticité modérée et impliquent un processus d’assemblage complexe, aggravé par une capacité de stockage d’énergie limitée, surtout lorsqu’ils sont utilisés pendant une longue période avec des cycles de charge et de décharge répétés.

Le problème d’inefficacité de charge provient de la connexion faible entre la couche d’électrolyte et les électrodes. De plus, l’électrolyte fluide peut s’avérer instable, entraînant son déplacement lorsque la batterie change de forme. 

L’équipe a étudié ces problèmes et a trouvé des solutions.

Solutions innovantes pour atteindre une élasticité totale

L’équipe a pensé à utiliser l’électrolyte dans une couche polymère fusionnée entre deux films d’électrodes flexibles pour créer une batterie totalement solide et extensible. 

Pour les électrodes, l’équipe a mis au point une stratégie consistant à déposer une fine couche de pâte conductrice contenant des nanofils d’argent, du noir de carbone et des matériaux de cathode ou d’anode à base de lithium sur une plaque.

Ensuite, ils ont appliqué une couche de polydiméthylsiloxane, un matériau flexible couramment utilisé dans les lentilles de contact, sur le dessus de la pâte.

Enfin, au sommet de tout, les chercheurs ont appliqué un sel de lithium, un liquide hautement conducteur, ainsi que les ingrédients pour fabriquer un polymère extensible.

Lorsque tous ces éléments, empilés en plusieurs couches, ont été activés par la lumière, ils se sont combinés pour former une couche solide et caoutchouteuse pouvant s’étirer jusqu’à 5000 % de sa longueur d’origine sans problème de transport des ions lithium.

L’ensemble de l’appareil a été scellé avec un revêtement protecteur, et la pile, comme mentionné précédemment, comprenait une couche supplémentaire de film d’électrode.

Les chercheurs ont comparé leur solution avec les solutions existantes sur le marché visant le même objectif. Les résultats de la comparaison étaient les suivants : 

Comparaison entre le nouveau design de batterie solide et extensible et les appareils alimentés par un électrolyte liquide traditionnel

• La nouvelle version offrait une capacité de charge moyenne six fois supérieure avec un taux de charge rapide. 
• La nouvelle solution pouvait maintenir une stabilité accrue pendant 67 cycles de charge et de décharge.
• L’électrolyte polymère fonctionnait de manière stable sur plus de 1000 cycles, la capacité diminuant de 1 % au cours des 30 premiers cycles. Dans une solution d’électrolyte liquide, la perte atteignait 16 %.

Les chercheurs estiment que bien qu’il reste beaucoup à accomplir, la recherche et ses résultats constituent une avancée très positive et prometteuse dans la création d’appareils portables ou implantables qui se plient et bougent avec le corps.

Alors que les instituts de recherche agissent toujours comme agents pionniers pour que toute industrie évolue avec le temps, toutes les innovations ne s’avèrent pas réalisables dans la vie réelle. Les innovations doivent avoir un aspect d’applicabilité, et elles doivent également être propices à une adoption à grande échelle. 

En 2019, une autre équipe de chercheurs du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory a développé une batterie lithium-ion flexible capable de fonctionner dans des conditions extrêmes telles que la coupe, la submersion et un impact balistique simulé. Les chercheurs ont également veillé à ce que les batteries soient incombustibles. 

« Water-In-Salt » et « Water-In-Bisalt » électrolytes pour batteries flexibles incombustibles

Les chercheurs ont apporté de nouvelles perspectives grâce à la découverte de une nouvelle classe d’électrolytes « water-in-salt » et « water-in-bisalt » — appelés WiS et WiBS — qui, lorsqu’ils sont incorporés dans une matrice polymère, peuvent réduire l’activité de l’eau et augmenter les capacités énergétiques et le cycle de vie de la batterie.

En même temps, le mécanisme a libéré la configuration de la batterie de la flambabilité, de la toxicité et des solvants hautement réactifs qu’ils contenaient. Le résultat était sous la forme d’une batterie flexible, sûre et puissante. 

Selon Konstantinos Gerasopoulos du département de recherche et de développement exploratoire d’APL, qui a également dirigé la recherche:

« Les batteries Li-ion sont déjà une présence constante dans notre quotidien, de nos téléphones à nos voitures, et continuer à améliorer leur sécurité est primordial pour faire progresser davantage la technologie de stockage d’énergie. »

En expliquant l’importance de la recherche, il a déclaré:

« Notre article récent montre une meilleure utilisabilité et performance des batteries Li-ion polymères flexibles à base d’eau qui peuvent être construites et utilisées en plein air. »

Alors que la recherche en cours a offert de nombreuses percées, certaines entreprises ont également été constantes dans la fabrication de batteries flexibles pour les appareils électroniques. 

#1. Samsung

Il y a plus de quatre ans, un brevet ajouté à la base de données de l’Office mondial de la propriété intellectuelle (OMPI) a montré que Samsung avait développé une batterie pliable pour alimenter des téléphones de même nature. La batterie brevetée a été conçue avec des couches permettant à l’une de ses cellules de se connecter à une autre via une jonction flexible. Cette connexion flexible traversait la partie charnière de l’appareil, éliminant le besoin de deux batteries solides séparées. 

Le brevet, selon les rapports, concernait la fabrication de batteries pouvant s’intégrer dans la série Galaxy Fold-series. Le succès de la solution de batterie signifiait que l’entreprise n’avait pas à se soucier de fabriquer deux composants conventionnels séparés. Au lieu de cela, une cellule pouvait se prolonger dans la suivante à travers la charnière de l’appareil grâce à sa bande centrale de connexion.

Le brevet indiquait que la charnière était composée de « base material », « mixture layers », et « insulating separators ». Selon les experts, le mécanisme permettait aux couches actives porteuses de charge dans les cellules d’interagir tout en alimentant le téléphone via un module de circuit de protection unifié (PCM) et de se connecter à sa carte principale.

Le Samsung Galaxy Z Fold 6 est déjà sur le marché, ce qui implique que la technologie de batterie pliable de Samsung a réussi. Le téléphone est équipé d’un grand écran OLED de 7,6 pouces et peut supporter une navigation web continue en 5G (dans ce cas, T-Mobile), avec une luminosité d’écran réglée à 150 nits. 

Selon une revue du gadget, l’appareil a affiché en moyenne 10 heures et 35 minutes sur quatre tests, dépassant les durées d’autonomie du Google Pixel Fold (10:21) mais restant derrière le OnePlus Open (11:31). 

En donnant son avis sur la capacité de la batterie de la série Fold, le critique a résumé ce qui suit:

« En usage quotidien, j’ai trouvé que le Z Fold 6 offrait une autonomie de batterie assez solide. Avec une utilisation mixte, l’indicateur de batterie chute généralement entre 20 % et 25 % vers 20 h, moment où je branche de toute façon le chargeur. Mais j’aimerais certainement plus d’autonomie les jours où je voyage ou utilise constamment Slack. »

Dans l’ensemble, l’aventure de Samsung dans les batteries de téléphone pliables, flexibles ou pliables peut être considérée comme un succès, avec des possibilités d’amélioration comme toujours.

Sur le plan financier, Samsung Electronics a récemment publié ses résultats financiers du premier trimestre 2024, montrant une croissance significative dans divers segments. L’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires consolidé de KRW 71,92 trillion ($52,08 billion), marquant une hausse de 13 % par rapport à la même période l’année précédente. Le bénéfice d’exploitation a grimpé de 933 % à KRW 6,61 trillion ($4,78 billion), principalement grâce à des ventes robustes dans ses divisions de puces mémoire et de smartphones. Sa division smartphone a affiché des résultats impressionnants, la série Galaxy S24 contribuant de manière significative au chiffre d’affaires et au bénéfice d’exploitation.

#2. Jenax

Une autre entreprise qui mène des travaux pionniers dans le domaine de la flexibilité ou de l’extensibilité des batteries est Jenax. L’un de ses produits phares les plus innovants est J.Flex, la batterie lithium-ion rechargeable, à état solide, flexible, à charge rapide et innovante de Jenax.

L’entreprise affirme que son produit peut se plier complètement et bouger avec l’appareil sans sacrifier la puissance. En termes d’application, la batterie s’adresse à un large éventail, incluant les wearables informatiques, les wearables santé et fitness, la mode et le secteur militaire. 

Les batteries J.Flex peuvent être pliées ou enroulées pour améliorer la flexibilité des appareils de prochaine génération. Même avec un pliage dynamique constant, elles offrent la même efficacité et capacité que le niveau de référence non plié. 

J.Flex prend en charge la personnalisation, permettant aux designers de concevoir sans hésitation de nouvelles formes et tailles — auparavant indisponibles — sans sacrifier les performances.  La batterie est également conforme aux normes internationales afin d’assurer la sécurité pour toutes les applications.

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Pliez-le comme une batterie : tendances futures de la flexibilité des batteries. 

Le volume de recherches en cours dans ce domaine rend le secteur prometteur pour la croissance. Les entreprises innovent de plus en plus dans la conception de leurs gadgets électroniques. Elles imaginent de nouvelles esthétiques, créant une demande de propriétés de flexibilité, d’extensibilité et de souplesse dans les batteries qui alimenteront finalement leurs appareils. 

Alors que nous avons déjà examiné deux études de recherche qui poursuivent le travail, nous conclurons la discussion d’aujourd’hui en examinant une autre qui pourrait être pleine de applications dans les jours à venir. Une équipe de chercheurs de l’Université de Houston a conçu et développé un prototype de batterie lithium-ion entièrement extensible à base de tissu.

Les chercheurs ont utilisé un tissu argenté conducteur comme plateforme et collecteur de courant, ce qui s’est avéré une percée. En expliquant ce que la recherche avait accompli et son importance, Haleh Ardebili, professeur Bill D. Cook de génie mécanique à l’UH, responsable de la recherche, a déclaré:

« Il semblait naturel de créer et d’intégrer des batteries extensibles avec des appareils et des vêtements extensibles. Imaginez plier, plier ou étirer votre ordinateur portable ou votre téléphone dans votre poche ou utiliser des capteurs interactifs intégrés à nos vêtements qui surveillent notre santé. »

Non seulement la recherche a le potentiel d’ouvrir de nouveaux horizons dans l’utilisation des batteries dans notre quotidien, mais elle a également corrigé un défaut fondamental qui existait jusqu’alors : le problème de rigidité. Tout comme la recherche de Johns Hopkins en 2019, les chercheurs de l’UH ont transformé les électrodes rigides des batteries lithium-ion en électrodes portables, à base de tissu, flexibles et extensibles avec un électrolyte polymère solide.

Selon Ardebili:

« L’électrode de la batterie doit permettre le mouvement à la fois des électrons et des ions. »

Cette exigence pourrait être satisfaite efficacement grâce à l’utilisation d’un tissu argenté tissé, capable de se déformer ou de s’étirer mécaniquement tout en offrant les « chemins de conduction électrique nécessaires au bon fonctionnement de l’électrode de la batterie ».

Alors que la technologie de la batterie était encore en phase de test précoce, les chercheurs pouvaient imaginer son application dans des combinaisons spatiales intelligentes, des électroniques grand public intégrés dans des vêtements qui surveillent la santé des personnes, et des dispositifs qui interagissent avec les humains à divers niveaux. Cependant, comme toutes les inventions, la viabilité de celle-ci dépendait également de la mise à l’échelle de la fabrication, de la gestion de la structure de coûts et de facteurs similaires.

Dans les jours à venir, nous verrons davantage d’innovations dans nos smartphones. Un autre domaine en pleine croissance est la technologie portable axée sur la santé et le fitness. La mode et les accessoires incorporeront également des éléments électroniques.

Tout cela entraînera une demande accrue de batteries extensibles. Les chercheurs verront une adoption croissante de leur technologie dans divers secteurs. Cependant, il ne faut pas oublier les aspects de sécurité, de longévité et de performance lors de leur fabrication. 

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