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)

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.

Atomic 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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Du 11 au 13 mai 2016, à la Maison de la Recherche et de la Valorisation, Toulouse.

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8 mars 2016, 9h-17h15, Amphithéâtre E3/3 (Campus moulins, 1 Place Déliot, Lille). Colloque placé sous la direction scientifique de Bérengère LEGROS, maître de conférences HDR à l’Université de Lille.

Présentation

Les nanotechnologies, technologies émergentes, ont permis la création, dans le cadre d’une concurrence internationale, de nano-objets. Certains d’entre eux sont à usage médical et procurent des outils diagnostiques, thérapeutiques ou de surveillance du corps humain. La traçabilité de ces objets est nécessairement assurée. Mais tel n’est pas le cas des nano-objets qui ne sont pas à usage médical et auxquels sont exposés le travailleur, qui les fabrique et/ou qui les utilise, ainsi que le consommateur qui achète des produits dans lesquels ils sont incorporés. Or, face à ces nano-objets, les connaissances actuelles sur les éventuels risques et dangers pour la santé et l’environnement sont insuffisantes. Les risques sanitaires sont difficiles à évaluer car il n’existe aucune méthode standardisée pour procéder à une telle évaluation, chaque nano-objet ayant une formulation ou une matrice différente et unique.

Ces avancées technologiques omniprésentes sont porteuses de fascination, d’espoirs mais aussi d’ inquiétudes. Mais quelle est la réaction du droit devant cette invasion quotidienne en partie invisible ? Quid de la régulation choisie au regard de toutes les branches du droit interne sollicitées ou susceptibles de l’être : le droit de l’environnement, genèse du droit des nanotechnologies, le droit de la bioéthique, le droit médical, le droit social, le droit pharmaceutique, le droit de la propriété industrielle, en raison des enjeux économiques, mais aussi le droit de la responsabilité ? Quid également du rôle de la norme européenne et de son articulation avec la norme interne ?

La diffusion des nano-objets suscite également des questions d’ordre social ou  éthique, notamment sur l’opportunité et la finalité de certaines de leurs applications ainsi que sur le risque d’éventuelles dérives. Tel pourrait être le cas des thérapies réparatrices des fonctions motrices lesquelles pourraient donner lieu à l’amplification des performances du sujet sain et créer un risque d’émergence d’une nouvelle humanité, une société tendant vers le  transhumanisme. Tel pourrait être également le cas des nouvelles formes de surveillance du corps lesquelles rendraient possibles « un environnement intelligent » grâce à des technologies permettant le recueil et l’analyse de données sur la santé des individus.

Les régulations juridiques en vigueur  sont-elles satisfaisantes ou les principes et les mesures de précaution ne devraient-ils pas davantage s’appliquer ? Que penser également du renouvellement de la norme impulsée par le Conseil de l’Europe face à la convergence technologique, en particulier la « convergence NBIC », – c’est-à-dire les interactions entre les nanotechnologies, la biologie, les technologies de l’information et les sciences cognitives- pour assurer la sécurité des citoyens, des entreprises et de l’environnement ?

L’objet de ce colloque sera d’amener à réfléchir sur d’éventuelles perspectives d’évolutions normatives tant au niveau du droit interne qu’au niveau du droit européen en y associant des regards non juridiques (médicaux et éthiques).

PROGRAMME

8h45 | Accueil des participants

 

9h00 | Allocutions d’ouverture

• M. le Professeur Bernard BOSSU, Doyen de la Faculté des Sciences Juridiques, Politiques et Sociales de l’Université de Lille
• M. le Professeur Valéry HEDOUIN, Représentant de la Faculté de médecine de l’Université de Lille, Directeur de l’Institut de Médecine Légale et Sociale du CHRU de Lille

9h20 | Propos introductifs

Bérengère LEGROS, Maître de conférences HDR à la Faculté des Sciences Juridiques, Politiques et Sociales de l’Université de Lille (CRD&P- L’ERDS)

Matinée, sous la présidence de M. le Professeur Régis BEUSCART,
Directeur du Centre d’Etudes et de Recherche en Informatique Médicale à la Faculté de médecine de l’Université de Lille

I – Aspects médicaux et pharmaceutiques

• 9h30 | Catherine NISSE, L’impact du nano-objet sur la santé, MCU-PH, département Universitaire de médecine et santé au travail, Université de Lille
• 10h00 | Anne Catherine PERROY, Nanotechnologies et produits de santé : état des lieux juridique, enjeux et perspectives, Professeur à la Faculté de pharmacie de l’Université de Lille, Avocat au barreau de Paris (Simmons & Simmons)(CRD&P-Équipe Demogue)

• Questions et débat avec la salle

II – Aspects sanitaires et environnementaux

• 10h40 | Éric NAIM-GESBERT, La saisie par le droit du risque nanotechnologique, Professeur à l’Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, Directeur scientifique de la Revue Juridique de l’environnement

 

11h10 | Pause

 

• 11h25 | Patrick MEUNIER, Nanotechnologies et protection de la santé – État des lieux et perspectives d’évolution de la norme de l’Union européenne, Professeur à la Faculté des Sciences Juridiques, Politiques et Sociales de l’Université de Lille (CRD&P- L’ERDP)

• 11h55 | Bérengère LEGROS, Nanotechnologies et protection de la santé du travailleur, Maître de conférences HDR à la Faculté des Sciences Juridiques, Politiques et Sociales de l’Université de Lille (CRD&PL’ERDS), Rédactrice en chef de la Revue générale de droit médical.

• 12h15 | Questions et débats avec la salle

 

12h30 | Pause méridienne

 

Après-midi, sous la présidence de Mme Sonia DESMOULIN,
Chargée de recherche au CNRS, Laboratoire Droit et Changement Social, CNRS/Université de Nantes

III – Aspects sociaux et patrimoniaux

• 13h30 | Thibault GISCLARD, Nanotechnologies et brevetabilité, Maître de conférences à la Faculté des Sciences Juridiques, Politiques et Sociales de l’Université de Lille (CRD&P- L’ERADP)
• 14h | Nicolas DESRUMAUX, Nanotechnologies et libertés publiques, Docteur en droit public, Ingénieur d’études à la Faculté des Sciences Juridiques, Politiques et Sociales de l’Université de Lille (CRD&P- Equipe Demogue)
• 14h30 | Laurene MAZEAU et Claire JOACHIM, Le droit de la responsabilité à l’épreuve des nanotechnologies, respectivement, Maître de conférences à l’Université de Brest et Docteur en droit public-chargée d’enseignement à l’Université de Toulouse 1 et de Laval

• Questions et débats avec la salle

 

15h15 | Pause

 

IV – Aspects éthiques et bioéthiques

• 15h30 | Sonia DESMOULIN, Technologies émergentes et convergentes ? Chargée de recherche au CNRS, Laboratoire Droit et Changement Social, CNRS/Université de Nantes
• 16h | Pierre LOUCHART, Regard éthique sur l’entrée des nanotechnologies dans l’environnement médical, social et biomédical, Neurologue, Membre de l’Espace de éflexion éthique régional du Nord-Pas-de-Calais
• 16h30 | Questions et débats avec la salle
• 16h45 | Synthèse des travaux par Stéphanie LACOUR, Directrice de recherche CNRS, Institut de Sciences Sociales du Politique -ISP – UMR 7220 CNRS – ENS Cachan – Université Paris Ouest Nanterre La Défense

 

17h15 | Clôture du colloque

Journées Nano, Micro, et Opto-électronique
qui auront lieu Aux Issambres du Lundi 30 Mai au Mercredi 1 Juin 2016

Ces journées ont vocation à rassembler la communauté scientifique française concernée par l’élaboration, la physique et l’intégration de micro et nano-composants à base de semi-conducteurs ou de nouveaux matériaux avec pour finalité la microélectronique ou l’optoélectronique. Les domaines scientifiques couverts sont larges et vont de l’étude des matériaux élémentaires et des composants jusqu´aux systèmes avec un accent particulier autour des thématiques suivantes :

– Nouveaux matériaux et nanostructures
– Micro-nano-technologies et systèmes
– Composants et technologies THz
– Physique des structures de basse dimensionnalité
– Micro et nanophotonique, cristaux photoniques, métamatériaux, plasmonique
– Composants et intégration de systèmes optoélectroniques
– Composants électroniques et intégration micro-nano-électronique

Comme pour les précédentes éditions, les journées seront structurées autour d’une vingtaine de présentations orales invitées qui donneront un panorama le plus récent des dernières avancées académiques et industrielles. Conjointement, des sessions poster offrent à tous les participants l’opportunité de présenter leurs travaux de recherche. La date limite de soumission des résumés est fixée au 22 Avril  2016.

Une table ronde sur les  » Télécommunications sans fils THz  » sera organisée avec la participation des acteurs académiques et industriels majeurs du domaine.

Par ailleurs, toujours dans ce cadre des télécommunications sans fils THz, lors de nos prochaines journées sera organisée une démonstration de télécommunication sans fil THz. Cette démonstration sera réalisée avec le concours d’un des plus importants équipementiers du secteur, Tektronix. Tektronix, par ailleurs sponsor de nos journées, acheminera pour cette occasion un matériel important. Ce lien s’effectuera avec une porteuse autour de 300 GHz en montrant les potentialités des formats de modulation vectoriels ou bien sur de la télévision Haute Définition en temps réel à travers l’espace libre. Les composants de base de cette démonstration sont fabriqués dans la salle blanche de l’IEMN.

Dates importantes :

Inscriptions en ligne à partir 26 Février 2016.
Deadline pour les résumés : 22 Avril 2016.