Une pile en papier activée par l'eau parmi les meilleures inventions mondiales
Une idée simple avec une technologie complexe
Le célèbre magazine américain "TIME" publie chaque année une liste des inventions les plus importantes de l'année. Cette année, Gustav Nyström et son équipe du "Cellulose & Wood Materials Laboratory" de l'Empa ont réussi à faire partie de cette sélection grâce à leur pile jetable biodégradable, qui ouvre la voie à l'électronique écologique de demain.
La batterie en papier est composée de deux cellules électrochimiques aux deux extrémités de la bande de papier, séparées par une barrière d'eau (entre les lettres "m" et "p") et connectées en série.
Empa
"TIME" a décerné cette distinction à l'équipe de l'Empa dans la catégorie "Expérimental" – l'un des plus de 20 domaines dans lesquels les inventions les plus importantes de l'année sont recherchées et récompensées, de l'intelligence artificielle aux nouvelles applications et à l'électronique, en passant par le fitness, l'alimentation et le divertissement. Pour désigner les meilleures idées dans chaque cas, le jury évalue les inventions en fonction de leur originalité, de leur créativité, de leur efficacité, de leur impact et d'autres critères.
Outre l'invention du laboratoire de l'Empa, le célèbre magazine a récompensé cette année, parmi d'autres, une intelligence artificielle qui cartographie la vie, des diamants fabriqués à partir de l'excès de carbone dans l'air, et le télescope le plus puissant jamais construit. Le fait que cette année, pour la première fois, ce ne sont pas 100 mais 200 inventions du monde entier qui ont été récompensées montre à quel point l'esprit inventif humain est créatif.
Une idée simple avec une technologie complexe
La batterie, conçue par Gustav Nyström et son équipe, est constituée d'au moins une cellule mesurant un centimètre carré et composée de trois encres imprimées sur une bande de papier rectangulaire. Du sel, en l'occurrence du chlorure de sodium ou sel de table, est dispersé dans la bande de papier et l'une de ses extrémités les plus courtes a été plongée dans de la cire.
Une encre contenant des flocons de graphite, qui constitue l'extrémité positive de la pile (la cathode), est imprimée sur l'un des côtés plats du papier, tandis qu'une encre contenant de la poudre de zinc, qui constitue l'extrémité négative de la pile (l'anode), est imprimée sur l'envers du papier. Une autre encre contenant des paillettes de graphite et du noir de carbone est imprimée sur les deux faces du papier, par-dessus les deux autres encres. Cette encre constitue les collecteurs de courant qui relient les extrémités positive et négative de la pile à deux fils, situés à l'extrémité du papier recouverte de cire.
L'eau comme déclencheur de la fonction
Le résultat de cette "construction" : Lorsqu'une petite quantité d'eau est ajoutée, les sels contenus dans le papier se dissolvent et des ions chargés sont libérés, rendant ainsi l'électrolyte ioniquement conducteur. Ces ions activent la pile en se dispersant dans le papier, ce qui a pour effet d'oxyder le zinc de l'encre à l'anode et de libérer des électrons. En fermant le circuit (externe), ces électrons peuvent alors être transférés de l'anode contenant du zinc – via l'encre contenant du graphite et du noir de carbone, les fils et le dispositif – à la cathode en graphite où ils sont transférés à l'oxygène de l'air ambiant – et donc le réduisent. Ces réactions redox (réduction et oxydation) génèrent ainsi un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter un appareil électrique externe.
"Proof of Concept" avec un réveil
Pour démontrer la capacité de leur batterie à faire fonctionner des appareils électroniques de faible puissance, l'équipe de Gustav Nyström a combiné deux cellules en une seule batterie pour augmenter la tension de fonctionnement et l'a utilisée pour alimenter un réveil avec un écran à cristaux liquides. L'analyse des performances d'une batterie à une cellule a révélé qu'après l'ajout de deux gouttes d'eau, la batterie s'activait en 20 secondes et, lorsqu'elle n'était pas connectée à un appareil consommateur d'énergie, elle atteignait une tension stable de 1,2 volt. La tension d'une pile alcaline AA standard est de 1,5 volt.
Après une heure, les performances de la pile à une cellule ont considérablement diminué en raison du séchage du papier. Cependant, après que les chercheurs aient ajouté deux gouttes d'eau supplémentaires, la pile a maintenu une tension de fonctionnement stable de 0,5 volt pendant plus d'une heure supplémentaire.
La particularité de cette nouvelle pile : le fait que le papier, le zinc et les autres composants soient biodégradables pourrait permettre de minimiser considérablement l'impact environnemental de l'électronique jetable à faible consommation d'énergie. Un pas considérable vers l'électronique "verte" !
Pour la deuxième fois sur la liste de "TIME"
La distinction décernée cette année par le "TIME" n'est pas la première "invention" issue des laboratoires de l'Empa à figurer sur cette illustre liste ; en 2009 déjà, un développement de l'Empa – également issu du "Cellulose & Wood Materials Laboratory" – avait été sélectionné parmi les 50 meilleures inventions de l'année (à l'époque encore) – le violon biotech de Francis Schwarze et de son équipe.
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