Batteries miniatures nomades : nouveau design 3D

DES SCIENTIFIQUES FRANÇAIS PROPOSENT UN NOUVEAU DESIGN DE MICRO-BATTERIES POUR OBJETS CONNECTÉS

Le développement des objets intelligents et connectés requiert des sources d’énergies autonomes, décentralisées et souvent miniatures, par exemple pour alimenter des micro-capteurs. La question de leur design est cruciale : chaque µm² gagné permettant d’augmenter la densité d’énergie de la batterie.

Des chercheurs français des laboratoires IMN, IEMN, UCCS et du LRCS, en partenariat avec un laboratoire américain (Argonne National Lab, ligne synchrotron APS), essaient de développer des micro-batteries lithium-ion « tout solide » capables d’alimenter ces objets afin de les rendre autonomes. Rassemblés autour d’un chercheur de l’IEMN, ils proposent une architecture performante permettant de répondre à de nombreux problèmes souvent rencontrés dans la création de batteries miniatures.

Cette architecture est construite à partir de wafer de silicium, matériau de choix dans l’industrie de la microélectronique. Le wafer est ensuite usiné pour fabriquer une structure 3D originale et robuste à base de micro-tubes simple ou double qui servira d’encrage à la micro-batterie. Cette gravure permet d’atteindre un gain de surface proche de 50 sans dénaturer son empreinte surfacique : une micro-batterie présentant une empreinte surfacique de 1 mm2 développe donc une surface spécifique de 50 mm2. Cette structuration 3D à base de micro-tubes est protégée par un brevet.

Cette architecture 3D a pour originalité d’être à une échelle micrométrique et non nanométrique. Les chercheurs ont fait ce choix car les approches nanométriques (avec des nanotubes de carbone ou des nanofils de silicium) ont le défaut d’être plus fragiles et flexibles. Par ailleurs, la faible distance entre 2 nanostructures limite drastiquement l’épaisseur de matériaux actifs déposables et donc les performances en densité d’énergie.

L’avantage de ce travail réalisé par deux doctorants (Manon Létiche – thèse IEMN/UCCS et Jeremy Freixas  – thèse IEMN/IMN) à l’échelle du micromètre est donc double. D’abord, il confère au substrat micro-structuré une robustesse permettant le dépôt de toutes les couches nécessaires (et d’épaisseur suffisante) pour produire des micro-batteries 3D de haute performance. Cette robustesse permet en outre de pouvoir manipuler les wafers de silicium sans craindre de briser les structures 3D qui résisteront ainsi à l’enduction centrifuge de résine photosensible visqueuse classiquement utilisée en microélectronique… Le tout présentant des gains de surface finalement comparables, voire meilleurs, que celui des nanostructures 3D.

Une fois ce substrat 3D de qualité créé, les chercheurs ont dû déposer dessus les matériaux nécessaires pour donne vie à la micro-batterie Li-ion. Leur travail étant une première preuve de concept et ayant pour but la finalisation d’un prototype, ils ont développé 4 des 6 couches de matériaux nécessaires à l’obtention d’une batterie complète.

La technique utilisée pour le dépôt de ces 4 premières couches et celle du dépôt par couche atomique (ALD), technique déjà utilisée à l’échelle industrielle, par exemple dans le cas du photovoltaïque, de la fabrication de transistor ou de mémoire vive dynamique (DRAM). Elle leur a permis de créer une couche isolante (Al2O3), un collecteur de courant (Pt), une électrode négative (TiO2) et un électrolyte  (Li3PO4)

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Contrairement à beaucoup de confrères et à ce qui se fait classiquement dans la fabrication de batterie, l’électrolyte est sous forme solide et non liquide. Ainsi, ces micro-batteries ne souffrent pas des limites des électrolytes liquides : inflammabilité, évaporation des solvants, fuite potentielle. Les dépôts de ces 4 couches épousent parfaitement les formes complexes des microstructures 3D (on parle de conformité) et l’électrolyte solide Li3PO4 fabriqué par ALD combine une fenêtre de stabilité électrochimique élevée (4.2 V), une haute conductivité ionique et une faible épaisseur (10 à 50 nm) générant une faible résistance surfacique.

L’ALD permet, en plus, une très bonne qualité des dépôts comme ont pu le vérifier les chercheurs par plusieurs techniques de caractérisations avancées (FIB TEM, EDX STEM, tomographie TXM synchrotron) : conformité proche de 100 %, pas d’inter-diffusion entre les couches ALD et absence de trous/fissures/craquelures.

Au final, l’équipe a montré un design attractif en regard du cahier des charges des objets connectés/miniaturisés (Internet of Things). Ces résultats découlent du travail collaboratif entre 5 laboratoires aux compétences complémentaires. A court terme, l’équipe de chercheurs va travailler sur la mise au point de films minces de matériaux d’électrode positive par ALD afin de pouvoir créer des prototypes de micro-batteries 3D fonctionnels dont les performances en densité d’énergie dépasse celles des micro-batteries planaires.

wileyAtomic layer deposition of functional layers for on Chip 3D Li-ion all solid state microbattery.
M. Létiche, E. Eustache, J. Freixas, A. Demortière, V. De Andrade, L. Morgenroth, P. Tilmant, F. Vaurette, D. Troadec, P. Roussel, T. Brousse, C. Lethien. Advanced Energy Materials, le 11 octobre 2016.
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  • IEMN CNRS UMR 8520 – Université de Lille Sciences et Technologies
  • UCCS CNRS UMR 8181 – Université Lille 1 Sciences et Technologies
  • IMN CNRS UMR 6502 – Université de Nantes
  • LRCS CNRS UMR 7314 – Université de Picardie Jules Verne

Contact chercheur : christophe.lethien@iemn.univ-lille1.fr

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