En cours d’émergence, l’électronique basée sur le papier représente une alternative simple, biodégradable et abordable à l’électronique usuelle et pourrait considérablement réduire le nombre de déchets électroniques produits chaque année. Les scientifiques se sont notamment penchés sur le développement de bio-batteries en papier biodégradables.

Dans de nombreuses régions du monde, les technologiques électroniques simples comme les batteries sont un luxe que peu ont les moyens de s’offrir. Une telle inaccessibilité s’avère notamment problématiques pour les professionnels de la santé, dont les instruments de diagnostic ne peuvent pas toujours être alimentés dans les régions les plus reculées de la planète, que ce soit par manque de disponibilité ou à cause des prix exorbitants.

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De nouvelles sources d’alimentation, peu coûteuses, portables et efficaces sont donc nécessaires. C’est dans ce but que les scientifiques se sont tournés vers les batteries en papier. L’idée n’est cependant pas nouvelle, mais les batteries développées jusqu’alors n’étaient pas assez puissantes et trop compliquées à produire pour que le concept devienne réellement viable. Aujourd’hui, de nouveaux dispositifs voient le jour, alliant puissance et facilité de production.

batteries papier

Plusieurs batteries ultrafines en papier existent déjà sur le marché, mais leur puissance est généralement faible et leur production difficile. Crédits : PBC Tech

À l’université de Birmingham, les professeurs Seokheun “Sean” Choi et Omowunmi Sadik, respectivement du département d’Ingénierie électrique et du département de chimie, ont mis au point une batterie constituée de papier et de biopolymères ; une telle technologie est donc appelée « bio-batterie ». En outre, cette batterie a la particularité d’être alimentée par des bactéries.

« Le papier possède des avantages uniques comme matériau pour les biocapteurs » explique Choi. « C’est abordable, facilement disponible, flexible et présente une grande surface. Cependant, des capteurs sophistiqués requièrent une source d’alimentation. Les batteries commerciales sont trop chères et produisent trop de déchets, et ne peuvent être intégrées à des structures papier. La meilleure solution reste donc une bio-batterie en papier ».

Les scientifiques ont déjà développé des biocapteurs en papier pour diagnostiquer facilement certaines maladies ainsi que des contaminants environnementaux. La plupart de ces dispositifs reposent sur un changement de couleurs, mais ils ne sont généralement pas très précis. Pour améliorer leur précision, les biocapteurs nécessitent une source d’alimentation.

L’objectif de Choi et ses collègues était de développer une batterie papier abordable alimentée par des bactéries et facilement intégrable à ces biocapteurs à usage unique.

structure batterie papier

Schéma d’une batterie en papier ordinaire. La couche de papier est entourée de plusieurs autres couches de polymères afin d’assurer la conduction des électrons. Crédits : EiProcus

Les chercheurs ont donc imprimé de très fines couches de métaux et autres polymères sur une surface papier. Ils ont ensuite placé des exoélectrogènes lyophilisées sur le papier.

Les exoélectrogènes sont des bactéries pouvant transférer des électrons de part et d’autre de leur membrane. Les électrons, générés lorsque la bactérie produit de l’énergie pour elle-même, sont transférés à l’extérieur de la membrane et peuvent ainsi entrer en contact avec des électrodes alimentant la batterie.

Pour activer la batterie, les scientifiques ont ajouté un petit peu d’eau sur les bactéries qui ont repris vie et, en quelques minutes, ont produit assez d’électrons pour alimenter une diode lumineuse et une calculatrice.

Un aspect également important du dispositif est sa biodégradabilité. Les chercheurs ont utilisé deux polymères structurels spécifiques, un polymère PAA (poly(amic acid)) et un polymère PPDD (poly(pyromellitic dianhydride-p-phenylenediamine)). Une fois plongée dans l’eau, la batterie s’est biodégradée en quelques heures.

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Des bio-batteries en papier alimentées par des bactéries développées par Seokheun Choi. Crédits : Seokheun Choi & al.

Les tests ont également montré que l’oxygène ne représentait pas un obstacle limitant. En effet, en passant aisément à travers le papier, l’oxygène peut capter les électrons sortant de la membrane bactérienne avant qu’ils n’entrent dans les électrodes.

Cependant, les mesures ont révélé que bien que l’oxygène réduise quelque peu la puissance générée, cette réduction est négligeable. Cela est dû au fait que, les bactéries étant fermement liées aux fibres de papier, les électrons produits parviennent à atteindre l’anode avant que l’oxygène n’intervienne.

Cette bio-batterie bactérienne peut être utilisée une seule fois et jetée dans l’environnement. Elle possède une durée de vie d’environ 4 mois. Choi travaille sur l’amélioration de la survie et des performances des bactéries lyophilisées afin d’augmenter la durée de vie de la batterie.

« La puissance générée doit en outre être augmentée de 1000 fois avant de pouvoir donner lieu à des applications pratiques courantes » explique Choi. Un seuil qui pourrait être atteint en empilant plusieurs bio-batteries.

Sources : Advanced Sustainable Systems

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