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 de table est dispersé dans la bande de papier, dont une des extrémités a été plongée dans de la cire, a indiqué jeudi le Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche (Empa) dans un communiqué.
Une encre contenant des flocons de graphite, qui constitue l'extrémité positive de la pile (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 (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 pôles positifs et négatifs de la pile à deux fils situés à l'extrémité du papier recouverte de cire.
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 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, 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. Ces diverses réactions génèrent un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter un appareil externe.
Preuve de concept
Pour démontrer les capacités de cette invention, 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 eurent 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.
Biodégradable
Selon les chercheurs, la biodégradabilité du papier et du zinc pourrait permettre à leur batterie de minimiser l'impact environnemental des appareils électroniques jetables et de faible puissance.
"La particularité de notre nouvelle batterie est que, contrairement à de nombreuses batteries métal-air utilisant une feuille de métal qui se consume progressivement au fur et à mesure que la batterie s'épuise, notre conception permet de n'ajouter à l'encre que la quantité de zinc réellement nécessaire à l'application spécifique", explique Gustav Nyström, cité dans le communiqué.
Plus l'encre contient de zinc, plus la batterie est capable de fonctionner longtemps. Un point plus critique est l'activation par l'eau, ajoute Gustav Nyström, et le temps qu'il faut pour que la batterie sèche.
"Mais je suis sûr qu'il est possible de modifier la conception de la batterie pour contourner ce problème", dit-il. Pour les applications de détection environnementale à une certaine humidité ou dans des environnements humides, le séchage du papier ne serait toutefois pas un problème.
Auparavant, l'équipe de Gustav Nyström avait déjà mis au point un supercondensateur dégradable à base de papier qui pouvait être chargé et déchargé des milliers de fois sans perdre son efficacité. Les deux dispositifs sont complémentaires, conclut l'Empa. Ces travaux sont publiés dans la revue Scientific Reports.