Notions de base concernant les batteries : un tournant écologique

Si vous lisez cet article, il y a de fortes chances que vous ayez vécu dans une maison où un stock de piles AA était toujours à portée de main, et que vous les utilisiez pour alimenter votre appareil photo numérique ou vos consoles Nintendo Game Boy. Il y a aussi eu probablement un temps où vous ou vos parents avez acheté ces petites piles boutons rondes pour alimenter des montres. Aujourd'hui, ces différents types de piles et batteries font encore partie de notre quotidien. Nous les utilisons dans les jouets télécommandés, les détecteurs de fumée, les ordinateurs portables, les tablettes et les smartphones. Il existe également de nouvelles applications émergentes pour les piles, basées sur les tendances du marché, comme leur recyclage en toute sécurité. Les patchs pour la mesure en continu du glucose (CGM), les étiquettes intelligentes pour l'envoi de paquets et les cartes de paiement avec affichages changeants du PIN de sécurité constituent des exemples des nouvelles applications des piles et batteries pour lesquelles le recyclage est une priorité absolue.

Batteries à cellules primaires et secondaires

Pourquoi replonger dans les souvenirs avant de se tourner vers l'avenir ? Si vous vous reconnaissez dans les souvenirs ou applications émergentes mentionnés ci-dessus, alors vous êtes déjà familiarisé avec les deux catégories de batteries les plus courantes : primaires et secondaires. Les batteries à cellules primaires ne sont pas rechargeables. Les piles AA utilisées dans votre vieil appareil photo numérique ou la pile bouton CR2032 de la montre de votre père sont des exemples de batteries à cellules primaires. À l'inverse, la batterie lithium-ion (Li-ion) qui alimente probablement votre smartphone est rechargeable. Les batteries rechargeables sont appelées « batteries à cellules secondaires ». En résumé :

• Batteries à cellules primaires : non rechargeables, elles incluent par exemple les piles alcalines et les batteries au lithium
• Batteries à cellules secondaires : rechargeables, elles incluent par exemple les batteries lithium-ion (Li-ion), nickel-cadmium (NiCd), nickel-hydrure métallique (NiMH), etc.

Ces deux types de batteries renferment beaucoup de puissance malgré leur petite taille, mais présentent des inconvénients en termes de consommation et d'environnement. Par exemple, les batteries au lithium à cellules primaires présentent généralement une densité d'énergie supérieure à leurs homologues au lithium-ion rechargeables, mais doivent être jetées après une seule utilisation (Sciencing). En outre, même si les batteries à cellules secondaires semblent de prime abord être plus respectueuses de l'environnement, elles deviennent inefficaces après avoir été rechargées à plusieurs reprises et doivent donc elles aussi être jetées.

Batteries jetables à couche mince : une alternative durable

(Source de l'image : Molex)

Il existe de nombreux types et sous-catégories de piles et de batteries, mais le développement de l'Internet des objets (IoT), des dispositifs corporels et des capteurs environnementaux a mis en avant l'un d'entre eux : les batteries à couche mince imprimées et flexibles (IDTechEx). Pour simplifier les choses, nous allons nous concentrer sur la catégorie générale des batteries imprimées et flexibles à couche mince, appelées « batteries à couche mince à l'état solide ». Ce nom donne un peu plus d'informations sur le type de batterie dont il est question. Comme leur nom l'indique, ces batteries sont solides : il n'y a pas de gel ni de liquide à l'intérieur de leur structure (Qnovo). Les batteries à couche mince sont fabriquées avec de très fines couches de matériau. C'est cette conception fine qui les rend particulièrement flexibles et intéressantes pour le marché des capteurs corporels. De nombreux modèles de batteries à couche mince à l'état solide répondent aux besoins du marché en termes de finesse et de flexibilité, mais sont néanmoins encore conçus avec des chimies à base de lithium ou d'autres chimies potentiellement néfastes pour l'environnement.

L'usage répandu et la toxicité de certaines batteries sont devenus problématiques, compte tenu de la grande quantité de batteries jetées chaque année. La demande en matière d'appareils électroniques tels que les ordinateurs portables et les smartphones a augmenté, et cette demande croissante fait exploser la quantité de déchets générés chaque année (Sciencing). Les batteries ne sont généralement pas biodégradables. Lorsqu'elles sont jetées sans précautions particulières, elles peuvent libérer des métaux et des composants toxiques qui risquent de s'infiltrer dans le sol. De nombreux pays ont mis en place des réglementations en matière de mise au rebut des batteries et proposent désormais des programmes de recyclage. Ces programmes permettent de recycler les métaux utilisés dans les batteries et peuvent contribuer à réduire les impacts négatifs de la mise au rebut des batteries sur l'environnement.

Étant donné ces réglementations et le besoin croissant d'alimenter et de connecter davantage de dispositifs à l'Internet des objets, les entreprises se mettent à chercher des alternatives sûres et durables aux chimies dangereuses utilisées dans les batteries. La nouvelle gamme de batteries à couche mince de Molex fait partie de ces solutions. Contrairement aux batteries au lithium, ces batteries sont conçues avec une chimie de dioxyde de manganèse-zinc, et sont plus sûres et plus faciles à éliminer par l'utilisateur.

L'avantage de Molex

L'Internet des objets a contribué à l'expansion des applications de transmission sans fil, comme les dispositifs de détection corporels et les étiquettes intelligentes alimentées. Cependant, de nombreuses batteries imprimées ne peuvent pas fournir le courant de crête requis pour la transmission des données sans fil. Molex relève ce défi en proposant des batteries à couche mince qui répondent à ces exigences de courant de crête. En outre, nos batteries sont extra-plates, flexibles et plus sûres à éliminer que les chimies basées lithium. Les batteries à couche mince de Molex présentent plusieurs fonctionnalités et avantages uniques. Nous possédons une licence pour une technologie unique qui nous permet de fabriquer l'anode et la cathode sur le même plan. Cette construction verticale permet de réduire la résistance interne et l'empreinte. L'une des critiques émises à l'encontre des sources d'énergie basées lithium est le risque d'auto-inflammation lorsqu'elles ne sont pas manipulées avec soin. Au contraire, les batteries à couche mince de Molex sont stables dans des conditions normales de stockage et de fonctionnement. Elles sont considérées comme non dangereuses et peuvent être éliminées avec les déchets ménagers normaux. Ces batteries ont également un courant de crête et une capacité d'utilisation plus élevés que les batteries à chimie similaire, ce qui est important pour les dispositifs qui détectent ou transmettent des données sans fil. Le facteur de forme mince et flexible des batteries leur permet de s'adapter aux surfaces courbes pour convenir à une grande variété de produits et augmenter la flexibilité de conception. Enfin, les batteries sont disponibles en configuration 1,5 V et 3 V, et les fonctionnalités ci-dessus les rendent idéales pour les applications basse consommation à usage unique.

Utilisation des batteries à couche mince

Des cas d'utilisation concrets permettent de mettre en avant les applications dans lesquelles certaines fonctionnalités sont très appréciées (format extra-plat, flexibilité, facilité de mise au rebut et empreinte réduite) et pour lesquelles le marché des batteries à couche mince peut continuer d'évoluer. L'utilisation de batteries à couche mince dans les étiquettes de température intelligentes ultra-haute fréquence (UHF) est particulièrement intéressante. Les étiquettes font à peu près la taille d'une carte de crédit et sont légèrement plus épaisses qu'une feuille de papier standard. Elles sont utilisées par les responsables logistiques de la chaîne du froid pour les produits thermosensibles. Ces étiquettes de température intelligentes utilisent une combinaison de technologies, notamment la radio-identification (RFID), la détection de température intelligente et les batteries à couche mince imprimées pour suivre avec précision le temps écoulé et la température pendant le transport et le stockage du produit (Enfucell).

De plus, les marchés des produits grand public, cosmétiques et médicaux testent actuellement des applications utilisant des batteries à couche mince. À la croisée des marchés grand public et cosmétiques, il existe une application de masque pour les yeux à impulsions électriques. Le masque intègre un dispositif à micro-courant composé d'une batterie imprimée flexible, d'électrodes, de ruban adhésif et d'une couche de protection (Enfucell). Le placement du patch sur la peau crée instantanément une boucle de courant, et le produit cosmétique circule des électrodes actives dans le masque vers la peau (Enfucell). D'autres applications grand public utilisent les batteries à couche mince. C'est notamment le cas des dispositifs électroniques corporels et des dispositifs de suivi de l'activité physique. Par exemple, un patch de capteur Bluetooth Low Energy (BLE) se fixe sur le côté de la tête d'un club de golf pour mesurer l'accélération et la vitesse angulaire (Enfucell). Les applications médicales dans lesquelles sont utilisées les batteries à couche mince jetables incluent les dispositifs de diagnostic, de traitement et de surveillance des patients.

Au cours des deux derniers siècles, d'énormes progrès ont été faits dans le développement de nouveaux types de batteries afin de répondre aux besoins croissants liés à l'alimentation des nombreux dispositifs et applications que nous utilisons au quotidien. Plus récemment, certaines entreprises ont commencé à développer des batteries fabriquées avec des matériaux répandus, durables et sûrs pour l'environnement et pour les personnes. Les batteries à couche mince imprimées flexibles avec des chimies organiques, comme le dioxyde de manganèse-zinc (voir cette vidéo) et d'autres chimies liées, sont la preuve qu'il existe un avenir plus radieux pour les batteries du point de vue de l'environnement. Divers marchés, notamment les marchés industriel, IoT, grand public ou médical, fabriquent déjà des produits alimentés par des batteries à couche mince. Un développement plus poussé est nécessaire pour augmenter la capacité et la fabricabilité de ces batteries, mais une question urgente continue d'animer les développeurs : dans quelles applications utiliser les batteries à couche mince de demain ?