Les supercondensateurs constituent une solution de choix pour fournir de l’énergie aux objets connectés, surtout quand leurs électrodes sont en nitrure de vanadium. L’origine des performances de ce matériau restait cependant méconnue. Des chercheurs de l’IEMN, de l’université de Nantes ont élucidé le processus et découvert un moyen de l’utiliser pour des micro-supercondensateurs (MSC). Ces travaux, publiés dans la revue Energy & Environmental Science, ouvrent ainsi la voie à des MSC extrêmement performants et robustes.

Comment le nitrure de vanadium va alimenter l’Internet des objets

Les micro-supercondensateurs (MSC) accompagnent la popularité des objets connectés, mais leur stockage d’énergie doit encore être amélioré dans un contexte de miniaturisation croissante. Le nitrure de vanadium est par exemple utilisé pour des supercondensateurs de grande taille, mais il s’y intègre en poudre, une forme incompatible avec la miniaturisation Des chercheurs de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologies (IEMN, CNRS/Université polytechnique Hauts-de-France/Université de Lille/Centrale Lille), de l’Institut des matériaux Jean Rouxel (IMN, CNRS/Université de Nantes) et de l’Unité de catalyse et de chimie du solide (UCCS, CNRS/Université d’Artois/université de Lille/Centrale Lille) ont élucidé le processus de stockage de charges dans le nitrure de vanadium, après avoir utilisé pour la première fois ce matériau dans des MSC. L’équipe a été soutenue par le Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E) et le réseau Renatech.

Les chercheurs ont utilisé un procédé industriel de la microélectronique : la pulvérisation cathodique magnétron. Un galet de vanadium métallique est pour cela soumis à des gaz ionisés, puis se condense sur un substrat de silicium. Le matériau délivre une capacité de stockage électrique par unité de volume (> 700 F cm^-3) quatre fois supérieure à celle d’électrodes de carbone nanoporeux. Ce MSC conserve plus de 80 % de ses performances initiales après 50 000 cycles de charges et décharges, quand la plupart des MSC s’usent à partir de 10 000 cycles. Grâce à des analyses, menées en partie au synchrotron Soleil, les chercheurs ont montré que ces performances étaient dues à la présence d’une infime couche d’oxyde de vanadium, qui se forme naturellement quand les électrodes sont en contact avec l’air. C’est elle qui stocke les charges électriques, sans impliquer le reste du matériau, qui se détériore ainsi beaucoup plus lentement.

Étude du mécanisme de stockage de charges dans le nitrure de vanadium intégré comme électrode de micro-supercondensateur. (c) IEMN

Référence:

Novel insights into the charge storage mechanism in pseudocapacitive vanadium nitride thick films for high-performance on-chip microsupercapacitors,
K. Robert, D. Stiévenard, D. Deresmes, C. Douard, A. Iadecola, D. Troadec, P. Simon, N. Nuns, M. Marinova, M. Huvé, P. Roussel, T. Brousse et C. Lethien.
Energy & Environmental Science, 2020
DOI: doi.org/10.1039/C9EE03787J