Des piles imprimées respectueuses de l'environnement

 

- Boucherville, Québec

Les préoccupations environnementales ont fait naître le besoin de mettre au point de meilleures techniques de stockage de l'énergie

Batterie compostable imprimée de première génération

Les besoins de sources d'alimentation portatives ont considérablement augmenté au cours des dernières années. Les technologies telles que celles utilisées pour les dispositifs électroniques vestimentaires et flexibles, l'Internet des objets (IdO), les emballages intelligents, le suivi électronique des patients et les mesures environnementales automatisées devraient générer 1,25 milliard de dollars d'ici à 2022. Pour soutenir ces applications, de nouveaux types de batteries sont mis au point avec 2 objectifs principaux : minimiser l'impact environnemental et réduire les coûts. Dans cette optique, les piles primaires (non rechargeables) imprimées constituent une solution prometteuse. Elles sont basées sur la technologie bien établie des piles traditionnelles qui a été adaptée pour être utilisable avec les procédés d'impression à haut débit.

Mais alors que la mise au point de nouvelles piles pour répondre à une demande croissante continue, les déchets électroniques ne cessent de s'accumuler. Pour la plupart des applications citées, les mesures ne sont nécessaires que pendant une courte période (quelques semaines ou quelques mois). C'est le cas par exemple des emballages intelligents qui sont jetés avec leur source d'alimentation après utilisation et finissent donc avec les déchets municipaux. Pour remédier à ce problème, les travaux de recherche s'orientent donc préférentiellement vers le développement de dispositifs électroniques respectueux de l'environnement (« électronique verte »). Très peu d'efforts ont cependant été déployés jusqu'à maintenant pour le développement de « piles vertes » imprimables capables d'alimenter ces dispositifs électroniques.

Création d'une équipe pour relever le défi des piles biodégradables

Lancé dans les Installations de Boucherville du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) sous l'égide du Campus canadien de fabrication de matériaux de pointe — une initiative conjointe du CNRC et du Centre canadien de recherche Xerox (CCRX) —, ce projet visait à concevoir une pile biodégradable et non toxique qui pourrait être simplement jetée dans un compost après utilisation, sans nuire à l'environnement. La production de cette pile devait être peu coûteuse et utiliser des technologies d'impression à haut débit telles que celles maîtrisées par le CCRX.

Cet objectif ambitieux a nécessité la mise sur pied d'une équipe multidisciplinaire de chercheurs issus de 3 centres de recherche du CNRC et du CCRX. L'équipe est formée des experts du CNRC Alexis Laforgue, Nathalie Chapleau et Asmae Mokrini du Centre de recherche sur l'automobile et des transports de surface (ATS), Edmond Lam et Alfred Leung du Centre de recherche en développement des cultures et des ressources aquatiques (DCRA), Robert Black du Centre de recherche sur les mines, l'énergie et l'environnement (EME), ainsi que Greg McGuire, Nan‑Xing Hu et Naveen Chopra du CCRX.

Au cours des 2 dernières années, cette équipe a travaillé au développement d'une nouvelle version de la pile primaire Leclanché (à base de zinc et de dioxyde de manganèse) qui ne contient que des matériaux biodégradables. L'un des composants clés mis au point est un nouvel électrolyte polymère biodégradable qui peut être imprimé à l'aide des techniques actuelles de sérigraphie. La formulation utilisée, au départ un liquide visqueux, peut être imprimée à haute vitesse puis durcie sous UV en moins d'une seconde pour créer un électrolyte solide et flexible suffisamment résistant pour servir de séparateur entre les électrodes. L'équipe a également développé un substrat complètement biodégradable sur lequel les composants actifs et l'électrolyte peuvent être directement imprimés puis a validé plusieurs liants biodégradables pour les encres de la couche active. Une demande conjointe de brevet a été enregistrée pour protéger cette invention.

Le projet approche de la phase 4 et il y a encore des défis à surmonter. L'équipe poursuit l'amélioration de l'électrolyte polymère, mais elle se penche également sur l'optimisation des liants et fait en sorte que tous les composants de la pile fonctionnent ensemble de manière stable et fiable. Les chercheurs ont récemment fait la démonstration de leur prototype de première génération (partiellement biodégradable) en alimentant un dispositif à base de DEL.

Des efforts de recherche doivent être déployés pour trouver des matériaux d'électrode biodégradables et des substrats biodégradables imperméables aux gaz et à l'humidité, optimiser et mettre à l'échelle les techniques d'impression, évaluer la compostabilité et l'écotoxicité à long terme des dispositifs et assurer le transfert technologique et les analyses comparatives des produits.

« Ce projet illustre ce qui peut ressortir d'une collaboration exemplaire entre le gouvernement et le secteur privé, commente M. Paul F. Smith, vice-président du Centre canadien de recherche Xerox. Il a permis d'établir un nouveau domaine de recherche novateur en vue de remédier à l'impact négatif des composants électroniques sur l'environnement. Lancé en 2018, le projet a permis de faire la démonstration de prototypes fonctionnels de piles imprimables constituées à plus de 90 % de matériaux compostables et utilisables pour une vaste gamme d'applications. »

Si l'équipe parvient à surmonter les derniers obstacles techniques au cours de la phase 4, cette pile compostable constituera une technologie de rupture qui placera le CNRC et le CCRX en première ligne de la recherche axée sur les solutions novatrices capables d'améliorer les perspectives planétaires en matière d'environnement.

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