Les batteries lithium-ion (LiB) et les dispositifs de stockage d'énergie basés sur des métaux liquides connaissent des progrès technologiques significatifs, notamment grâce aux matériaux à changement de phase (PCM) qui utilisent des alliages de GaIn, tels que le PEG/GaIn/BN. Ces matériaux ont montré un potentiel énorme pour la gestion thermique dans les batteries lithium-ion. Leur nature déformable permet de réduire la résistance thermique interfaciale entre les matériaux, ce qui améliore la conductivité thermique dans les deux directions verticales et planes. Les alliages à base de Ga, comme le GaIn, non seulement réduisent cette résistance thermique mais augmentent également la capacité de conversion photothermique du PCM. Cela leur permet de chauffer efficacement même dans des conditions de températures extrêmement froides, offrant une solution pour le chauffage des batteries non seulement en environnement chaud, mais aussi lors de processus de charge/décharge à des vitesses élevées.

Les modèles thermiques des batteries équipées de régulateurs thermiques PEG/GaIn/BN montrent une nette amélioration de la gestion thermique. Par exemple, lorsqu'une batterie est soumise à un taux de charge/décharge élevé de 4C, une batterie non régulée atteint des températures supérieures à 60°C, tandis que l'ajout de régulateurs thermiques permet de réduire cette température de plus de 10°C. Cette gestion thermique améliore également la rétention de capacité de la batterie, un facteur crucial pour la longévité et l'efficacité des dispositifs de stockage d'énergie.

La flexibilité, un autre aspect essentiel des dispositifs de stockage d'énergie, est également améliorée par l'utilisation d'alliages à base de Ga. Les batteries traditionnelles rigides ont tendance à souffrir de délaminage des matériaux électrodes pendant les cycles de charge et de décharge, ce qui peut entraîner une perte importante de capacité. Pour pallier cela, des alliages à base de Ga, tels que le GaIn et le GaSn, peuvent être utilisés pour renforcer l'adhésion entre les matériaux d'électrode et les collecteurs de courant, tout en maintenant la flexibilité des interfaces. Cette approche permet non seulement de prévenir la délamination, mais aussi de favoriser la création de dispositifs électroniques de stockage d'énergie flexibles avec des circuits en 3D, où la plasticité des matériaux permet d'adapter les composants aux besoins mécaniques des applications modernes.

En outre, dans les batteries à base de soufre (Li-S, Na-S, et K-S), un des défis majeurs réside dans l'expansion volumétrique des électrodes. En introduisant des métaux liquides comme le Ga dans la préparation des électrodes, il est possible de créer une structure core-shell (Ga@S) qui s'adapte à cette expansion et améliore la conductivité électronique et ionique. L'interaction entre le Ga et le soufre, par exemple, forme un réseau conducteur qui permet de limiter la migration des polysulfures, un phénomène qui entraîne une dégradation de la performance des batteries Li-S classiques.

Cependant, malgré les nombreux avantages des batteries à base de Ga, elles rencontrent aussi plusieurs limitations qui nécessitent une attention particulière dans le développement de dispositifs commerciaux. L'une des principales difficultés réside dans la faible mouillabilité des électrodes métalliques à base de Ga. En raison de la tension superficielle élevée des alliages Ga, il peut être difficile d'obtenir un bon contact entre ces métaux liquides et les substrats solides, ce qui peut entraîner des pertes de performance et augmenter la résistance interfaciale. De plus, la nature corrosive du Ga représente une autre difficulté majeure. Le Ga et ses alliages peuvent corroder les collecteurs de courant en cuivre, bien que des techniques de fonctionnalisations de surface, comme l'utilisation de polyphénols naturels, aient montré leur capacité à protéger ces substrats de la corrosion.

Une autre problématique est liée à la fuite des métaux liquides. En raison de leur faible viscosité, les métaux liquides comme le Ga ont tendance à fuir, ce qui peut poser des risques de courts-circuits et de sécurité. Pour résoudre ce problème, des technologies de scellement hermétiques et des nanoparticules d'alliages de Ga sont souvent employées pour améliorer l'adhésion à la surface et contrôler les fuites, garantissant ainsi la sécurité des dispositifs de stockage d'énergie.

L'évolution des batteries à base de Ga, notamment les batteries à température ambiante, présente des perspectives prometteuses. Ces batteries, à température de fonctionnement plus basse que les batteries à métaux liquides conventionnels, offrent des avantages considérables en termes de sécurité, de réactivité chimique et de gestion thermique. Le développement de ces technologies pourrait transformer les dispositifs de stockage d'énergie à grande échelle, notamment pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie renouvelable. L'utilisation de matériaux à base de Ga semble être une solution idéale pour surmonter les défis actuels tout en améliorant la performance et la sécurité des batteries.

Comment les matériaux à base de métaux liquides (LM) transforment-ils la collecte d'énergie et les capteurs flexibles ?

Les dispositifs à base de métaux liquides (LM), notamment les électrodes en Cu-EGaIn et les fibres de métaux liquides intrinsèquement élastiques (ISLMF), ont récemment fait l'objet d'une attention croissante en raison de leur capacité à récolter de l'énergie mécanique et électromagnétique, tout en offrant des solutions innovantes pour des capteurs flexibles à hautes performances. L'intégration de ces matériaux dans des systèmes autonomes et multifonctionnels ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la technologie portable, de la collecte d'énergie et des applications biomédicales.

Les dispositifs triboélectriques à base de LM, tels que les générateurs triboélectriques à base de Cu-EGaIn (TENG), se caractérisent par leur capacité à convertir l'énergie mécanique en énergie électrique, un phénomène qui repose sur les principes de la triboélectricité. Lorsqu'une pression est appliquée sur les couches de friction, des charges triboélectriques opposées se forment à leur surface. La séparation des surfaces crée un champ électrostatique qui génère une différence de potentiel électrique. Une fois les surfaces de friction séparées, les électrons se déplacent d’un électrode à l’autre pour équilibrer ce champ, permettant ainsi de stocker de l’énergie. L'un des exemples notables de cette technologie est le système développé par Yang et ses collaborateurs, qui intègre un TENG basé sur le Cu-EGaIn et des supercondensateurs pour alimenter un circuit infrarouge à tube pair.

La capacité de ces dispositifs à stocker de l'énergie est mesurée par leur capacitance. Dans le cas du système Cu-EGaIn/MXene, une capacitance allant jusqu’à 1,72 mFcm−2 a été atteinte, avec une rétention de charge de 92,4 % après plus de 2 160 cycles, ce qui témoigne de leur durabilité. Cette performance est cruciale pour les applications autonomes, où l'énergie générée doit être efficacement stockée et utilisée sur le long terme. En parallèle, des tests pratiques sur des dispositifs portables ont montré que ces systèmes pouvaient non seulement récolter de l'énergie électromagnétique, mais aussi alimenter de petits appareils électroniques tels que des montres ou des calculatrices.

Le concept des semelles de chaussures équipées de matériaux triboélectriques est également un domaine de développement significatif. En testant des semelles en mousse de 3D, les chercheurs ont montré qu'il était possible de récolter une puissance de crête instantanée de 2,6 mW, ce qui est suffisant pour alimenter des dispositifs portatifs lors de l'activité physique. Ces semelles fonctionnent à la fois comme générateurs triboélectriques et comme capteurs de force, mesurant les mouvements et la pression exercée, ce qui les rend utiles dans des applications liées à la santé et à la surveillance du bien-être.

Par ailleurs, l'utilisation de fibres de métaux liquides intrinsèquement élastiques (ISLMF), qui combinent des propriétés triboélectriques et des capacités de récolte d'énergie électromagnétique, a permis de créer des systèmes encore plus flexibles et autonomes. Ces fibres, constituées de fibres creuses en élastomère (SEBS) remplies d'alliage EGaIn, ont démontré leur capacité à récolter de l'énergie à la fois mécanique et électromagnétique. Dans une étude réalisée par Lai Ying-Chih et ses collaborateurs, ces fibres ont été intégrées à des tissus élastiques et testées sur différentes parties du corps humain, comme le coude et le poignet. L’énergie récoltée était suffisante pour alimenter des appareils électroniques de petite taille, et la rapidité de charge des condensateurs à partir de l’énergie électromagnétique extraite d’un ordinateur portable a montré un avantage par rapport à la récolte d’énergie par mouvement humain.

Enfin, les capteurs flexibles à base de LM, en particulier ceux utilisant le Ga et ses alliages, représentent une avancée majeure dans le domaine des capteurs biologiques et des robots souples. Ces capteurs, grâce à leur faible module de Young et à leur grande flexibilité, sont capables de détecter des stimuli variés, tels que la chaleur, le mouvement ou la pression, avec une réactivité et une efficacité bien supérieures à celles des capteurs rigides traditionnels. L'utilisation de matériaux à base de LM dans des capteurs flexibles pourrait transformer des secteurs comme la santé, les robots souples et l'automatisation de processus complexes, où la flexibilité et la performance sont des critères essentiels.

En somme, les dispositifs à base de métaux liquides, qu’ils soient utilisés dans des générateurs triboélectriques ou des capteurs flexibles, présentent un potentiel immense pour révolutionner les technologies portables et autonomes. Leur capacité à récolter, stocker et utiliser l’énergie, couplée à leur flexibilité et à leur efficacité, leur confère un rôle central dans le développement de systèmes énergétiques et de capteurs de nouvelle génération. Ces innovations s’inscrivent dans une dynamique où les besoins énergétiques et les exigences de flexibilité sont croissants, ce qui promet une série d’applications pratiques et industrielles dans un avenir proche.

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