3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

Imaginez un monde où les murs de votre maison, les piliers d'un pont ou le pavé d'une rue pourraient faire plus que simplement supporter du poids. Ils pourraient aussi stocker de l'électricité, agissant comme de gigantesques batteries silencieuses qui alimentent des lumières, des capteurs ou même le bâtiment lui-même. Cette idée, connue sous le nom de stockage d'énergie structurel, est depuis longtemps un rêve pour les ingénieurs. Le défi a toujours été de trouver un matériau suffisamment solide pour la construction, mais aussi capable de maintenir une charge comme une batterie. Le béton et le ciment sont les matériaux de construction les plus courants sur Terre ; ils sont bon marché, résistants au feu et incroyablement durables. Cependant, ils sont naturellement peu conducteurs d'électricité, ce qui est essentiel pour qu'une batterie fonctionne. Les batteries traditionnelles reposent sur des mélanges chimiques délicats maintenus ensemble par des liants plastiques, qui sont trop fragiles pour servir de poutres structurelles. Pendant des années, des scientifiques ont tenté de transformer le ciment en batterie, mais les résultats étaient souvent faibles, stockant très peu d'énergie ou échouant après seulement quelques utilisations. L'objectif était de créer un matériau qui soit à la fois un bloc de construction solide comme le roc et un dispositif de stockage d'énergie de haute performance.

Une équipe de chercheurs a maintenant franchi une étape significative vers cette réalité en réussissant à imprimer en 3D une batterie à partir de ciment. Au lieu d'essayer de forcer une conception de batterie standard dans le béton, ils ont développé une nouvelle méthode qui utilise le processus de durcissement naturel du ciment pour construire la structure interne de la batterie. Ils ont créé une encre spéciale composée d'eau, de ciment et de deux types de matériaux de batterie : un qui stocke la charge positive et un autre qui stocke la charge négative. Ils ont également ajouté un réseau de minuscules particules de carbone pour aider l'électricité à circuler à travers le mélange. Lorsque cette encre est extraite d'une imprimante 3D, elle forme une forme continue. À mesure que le ciment sèche et durcit, il subit une réaction chimique appelée hydratation, qui crée un squelette minéral qui verrouille tout ensemble. Ce squelette apporte la force, tandis que le réseau de carbone garantit que l'électricité puisse toujours circuler librement. Le résultat est un objet solide et imprimé qui ressemble et ressemble à un morceau de matériau de construction, mais qui fonctionne comme une batterie lithium-ion rechargeable.

Les chercheurs ont testé ce nouveau matériau en imprimant à la fois les côtés positifs et négatifs d'une batterie, puis en les connectant pour former une cellule complète. Ils ont constaté que la batterie fonctionnait remarquablement bien. Lors de tests à une vitesse de charge lente, le côté positif pouvait stocker 157,5 unités d'énergie par gramme, et le côté négatif pouvait en stocker 172,3. Ces chiffres sont comparables à de nombreuses batteries commerciales standards, prouvant que le ciment n'a pas ruiné l'activité chimique des matériaux de la batterie. Plus important encore, la batterie s'est révélée incroyablement robuste. Après avoir été chargée et déchargée dix mille fois, la batterie complète conservait encore 98,5 % de sa capacité énergétique initiale. Ce niveau de durabilité est rare pour les batteries, surtout celles fabriquées à partir d'un matériau aussi brut et poreux. L'étude a montré que la structure de ciment aidait en fait à protéger les matériaux de la batterie, les maintenant stables même lors de leur expansion et de leur contraction pendant l'utilisation.

Au-delà du simple stockage de charge, le matériau a démontré la sécurité et la polyvalence nécessaires pour une utilisation dans le monde réel. Contrairement aux batteries traditionnelles qui utilisent des produits chimiques liquides inflammables et des pièces en plastique, cette batterie à base de ciment est composée de minéraux non inflammables. Dans un test direct, les chercheurs ont appliqué une flamme sur la batterie imprimée pendant dix minutes. L'objet a gardé sa forme, n'a pas fondu et ne s'est pas enflammé, montrant un niveau de résistance à la chaleur que les batteries à base de plastique ne peuvent égaler. Le processus d'impression 3D a également permis aux chercheurs de créer des formes complexes et des couches épaisses sans que la batterie ne tombe en panne. Ils ont imprimé des électrodes avec différentes épaisseurs, et l'électricité circulait aussi bien à travers les couches épaisses qu'à travers les couches minces. Cela suggère que ces batteries pourraient être imprimées en grandes formes personnalisées pour s'adapter exactement là où elles sont nécessaires dans un bâtiment, plutôt que d'être forcées dans des boîtes rectangulaires standard.

L'étude a également abordé la raison pour laquelle cette approche fonctionne là où d'autres ont échoué. Les tentatives précédentes pour fabriquer des batteries de ciment échouaient souvent parce que le ciment bloquait le mouvement de l'électricité ou décomposait les produits chimiques délicats de la batterie. Les chercheurs ont découvert qu'en équilibrant soigneusement le mélange de ciment, de matériaux de batterie et de carbone, ils pouvaient créer un réseau où le ciment fournissait la force et le carbone fournissait l'autoroute électrique. Ils ont comparé leur encre à base de ciment à d'autres mélanges utilisant différents liants, tels que l'oxyde d'aluminium ou le dioxyde de silicium, et ont constaté que la version de ciment était la plus performante. Le ciment ne se contentait pas de maintenir la structure ensemble, mais semblait également améliorer le flux d'ions, les minuscules particules chargées qui transportent l'énergie à l'intérieur de la batterie. Cette combinaison unique de propriétés signifie que le matériau n'est pas seulement un contenant passif pour l'énergie, mais une partie active et intégrée du système énergétique.

Ce travail suggère une nouvelle voie pour l'avenir de la construction. Il dépasse l'idée de simplement intégrer une batterie standard à l'intérieur d'un mur et propose plutôt que le mur lui-même puisse être la batterie. La capacité d'imprimer en 3D ces structures signifie que les architectes et les ingénieurs pourraient concevoir des bâtiments avec un stockage d'énergie intégré, personnalisé selon la forme et les besoins spécifiques de la structure. Les matériaux utilisés sont peu coûteux et largement disponibles, et le processus est évolutif, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé pour fabriquer de grandes quantités de ces composants de stockage d'énergie. Bien que la technologie soit encore en phase de recherche, les résultats montrent qu'il est possible de fusionner les mondes de la construction et du stockage d'énergie sans sacrifier la sécurité, la force ou la performance. La batterie à base de ciment est une preuve de concept que les matériaux que nous utilisons pour construire notre monde peuvent aussi l'alimenter.