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Prix du magazine TIME pour une pile électrique en papier inventée en Suisse

Le 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 font partie de cette sélection grâce à leur pile jetable biodégradable, qui ouvre la voie à l’électronique écologique de demain. Les informations suivantes sont expliquées dans un texte diffusé par l’Office Fédéral de l’Energie, remanié par Enviscope.

Dübendorf, St. Gallen und Thun-  Le magazine américain “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. Le jury évalue les inventions en fonction de leur originalité, de leur créativité, de leur efficacité, de leur impact et d’autres critères.

La batterie, conçue par Gustav Nyström et son équipe, est constituée d’au moins une cellule mesurant un centimètre carré 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 constituant l’extrémité positive de la pile (la cathode), est imprimée sur l’un des côtés plats du papier. Une encre contenant de la poudre de zinc constituant 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

Lorsqu’une petite quantité d’eau est ajoutée, les sels contenus dans le papier se dissolvent et des ions chargés sont libérés, rendant l’électrolyte ioniquement conducteur. Ces ions activent la pile en se dispersant dans le papier, ce qui oxyder le zinc de l’encre à l’anode et de libérer des électrons. En fermant le circuit (externe), ces électrons peuvent 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 un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter un appareil électrique externe.

“Proof of Concept” avec un réveil

Pour démontrer la capacité de la batterie à faire fonctionner des appareils électroniques de faible puissance, les chercheurs ont  combiné deux cellules en une seule batterie pour accroitre la tension de fonctionnement. La pile a été 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. Lorsqu’elle n’est pas connectée à un appareil consommateur d’énergie, elle atteint 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.

Cette nouvelle pile a une particularité : le papier, le zinc et les autres composants biodégradables permettraient de minimiser considérablement l’impact environnemental de l’électronique jetable à faible consommation d’énergie.

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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