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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From 11 to 13 May 2016, at the Maison de la Recherche et de la Valorisation, Toulouse.

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8 March 2016, 9am-5.15pm, Amphithéâtre E3/3 (Campus moulins, 1 Place Déliot, Lille). Conference under the scientific direction of Bérengère LEGROS, HDR lecturer at the University of Lille.

Presentation

Nanotechnologies are emerging technologies that have led to the creation of nano-objects in the context of international competition. Some of these are for medical use, providing diagnostic, therapeutic or monitoring tools for the human body. These objects must be traceable. But this is not the case for nano-objects that are not for medical use and to which the workers who manufacture and/or use them, as well as the consumers who buy products in which they are incorporated, are exposed. However, when it comes to these nano-objects, current knowledge of the possible risks and dangers to health and the environment is inadequate. Health risks are difficult to assess because there is no standardised method for making such an assessment, as each nano-object has a different and unique formulation or matrix.

These ubiquitous technological advances are a source of fascination and hope, but also of concern. But how does the law react to this daily, partly invisible invasion? What about the regulation chosen in the light of all the branches of domestic law that are being or are likely to be called upon: environmental law, the genesis of nanotechnology law, bioethics law, medical law, social law, pharmaceutical law, industrial property law, because of the economic stakes involved, but also liability law? What about the role of European standards and how they relate to national standards?

The spread of nano-objects also raises questions of a social and ethical nature, particularly concerning the appropriateness and purpose of some of their applications and the risk of possible aberrations. This could be the case with therapies for repairing motor functions, which could amplify the performance of healthy subjects and create the risk of the emergence of a new humanity, a society tending towards transhumanism. This could also be the case for new forms of body surveillance, which would make possible an "intelligent environment" thanks to technologies that enable the collection and analysis of data on the health of individuals.

Are the current legal regulations satisfactory, or shouldn't precautionary principles and measures be applied more widely? What are we to think, too, of the Council of Europe's renewal of standards in the face of technological convergence, in particular the "NBIC convergence" - i.e. the interactions between nanotechnologies, biology, information technologies and cognitive sciences - to ensure the safety of citizens, businesses and the environment?

The aim of this conference will be to encourage reflection on the possible prospects for changes in standards, both in domestic law and in European law, by including a non-legal (medical and ethical) perspective.

PROGRAMME

8h45 | Accueil des participants

 

9h00 | Opening speeches

• Professor Bernard Bossu, Dean of the Faculty of Legal, Political and Social Sciences at the University of Lille
• Professor Valéry HEDOUIN, Representative of the Faculty of Medicine at the University of Lille, Director of the Institute of Forensic and Social Medicine at the Lille Regional University Hospital (CHRU)

9h20 | Introductory remarks

Bérengère LEGROS, Senior Lecturer at the Faculty of Legal, Political and Social Sciences, University of Lille (CRD&P- L'ERDS)

Morning session chaired by Professor Régis BEUSCART,
Director of the Centre d'Etudes et de Recherche en Informatique Médicale at the Faculty of Medicine, University of Lille

I - Medical and pharmaceutical aspects

• 9.30am | Catherine NISSE, The impact of nano-objects on healthMCU-PH, University Department of Occupational Medicine and Health, University of Lille
• 10h00 | Anne Catherine PERROY, Nanotechnologies and health products: the legal situation, issues and prospectsProfessor at the Faculty of Pharmacy at the University of Lille, Member of the Paris Bar (Simmons & Simmons)(CRD&P-Équipe Demogue)

• Questions and debate with the audience

II - Health and environmental aspects

• 10h40 | Éric NAIM-GESBERT, The legal approach to nanotechnology riskProfessor at the University of Paris 13, Sorbonne Paris Cité, Scientific Director of the Revue Juridique de l'environnement

 

11.10 a.m. | Break

 

• 11h25 | Patrick MEUNIER, Nanotechnologies and health protection - State of play and prospects for the development of European Union standardsProfessor at the Faculty of Legal, Political and Social Sciences at the University of Lille (CRD&P- L'ERDP)

• 11:55 | Bérengère LEGROS, Nanotechnologies and the protection of workers' healthShe is a senior lecturer at the University of Lille's Faculty of Legal, Political and Social Sciences (CRD&PL'ERDS), and editor-in-chief of the Revue générale de droit médical.

• 12.15pm | Questions and discussion with the audience

 

12.30 pm | Lunch break

 

Afternoon, chaired by Sonia DESMOULIN,
CNRS Research Fellow, Law and Social Change Laboratory, CNRS/University of Nantes

III - Social and property aspects

• 13:30 | Thibault GISCLARD, Nanotechnologies and patentabilityLecturer at the Faculty of Legal, Political and Social Sciences at the University of Lille (CRD&P- L'ERADP)
• 2pm Nicolas DESRUMAUX, Nanotechnologies and civil libertiesPhD in Public Law, Research Engineer at the Faculty of Legal, Political and Social Sciences at the University of Lille (CRD&P - Demogue team)
• 2.30pm | Laurene MAZEAU and Claire JOACHIM, Liability law put to the test by nanotechnologyrespectively, Senior Lecturer at the University of Brest and Doctor of Public Law and lecturer at the Universities of Toulouse 1 and Laval.

• Questions and debates with the audience

 

15h15 | Pause

 

IV – Aspects éthiques et bioéthiques

• 15h30 | Sonia DESMOULIN, Technologies émergentes et convergentes ? CNRS Research Fellow, Law and Social Change Laboratory, CNRS/University of 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.