{"id":12756,"date":"2016-10-17T09:51:04","date_gmt":"2016-10-17T07:51:04","guid":{"rendered":"https:\/\/www.iemn.fr\/last-news\/batteries-miniatures-nomades-nouveau-design-3d-2.html"},"modified":"2019-10-10T14:58:25","modified_gmt":"2019-10-10T12:58:25","slug":"batteries-miniatures-nomades-nouveau-design-3d","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/news\/batteries-miniatures-nomades-nouveau-design-3d.html","title":{"rendered":"Batteries miniatures nomades : nouveau design 3D"},"content":{"rendered":"

DES SCIENTIFIQUES FRAN\u00c7AIS PROPOSENT UN NOUVEAU DESIGN DE MICRO-BATTERIES POUR OBJETS CONNECT\u00c9S<\/h4>\n

Le d\u00e9veloppement des objets intelligents et connect\u00e9s requiert des sources d\u2019\u00e9nergies autonomes, d\u00e9centralis\u00e9es et souvent miniatures, par exemple pour alimenter des micro-capteurs. La question de leur design est cruciale\u00a0: chaque \u00b5m\u00b2 gagn\u00e9 permettant d\u2019augmenter la densit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie de la batterie.<\/p>\n

Des chercheurs fran\u00e7ais des laboratoires IMN, IEMN, UCCS et du LRCS, en partenariat avec un laboratoire am\u00e9ricain (Argonne National Lab, ligne synchrotron APS), essaient de d\u00e9velopper des micro-batteries lithium-ion \u00ab\u00a0tout solide\u00a0\u00bb capables d\u2019alimenter ces objets afin de les rendre autonomes. Rassembl\u00e9s autour d\u2019un chercheur de l\u2019IEMN, ils proposent une architecture performante permettant de r\u00e9pondre \u00e0 de nombreux probl\u00e8mes souvent rencontr\u00e9s dans la cr\u00e9ation de batteries miniatures.<\/p><\/blockquote>\n

Cette architecture est construite \u00e0 partir de wafer de silicium, mat\u00e9riau de choix dans l\u2019industrie de la micro\u00e9lectronique. Le wafer est ensuite usin\u00e9 pour fabriquer une structure 3D originale et robuste \u00e0 base de micro-tubes simple ou double qui servira d\u2019encrage \u00e0 la micro-batterie. Cette gravure permet d\u2019atteindre un gain de surface proche de 50 sans d\u00e9naturer son empreinte surfacique\u00a0: une micro-batterie pr\u00e9sentant une empreinte surfacique de 1 mm2 d\u00e9veloppe donc une surface sp\u00e9cifique de 50 mm2. Cette structuration 3D \u00e0 base de micro-tubes est prot\u00e9g\u00e9e par un brevet.<\/span><\/p>\n

Cette architecture 3D a pour originalit\u00e9 d\u2019\u00eatre \u00e0 une \u00e9chelle microm\u00e9trique et non nanom\u00e9trique. Les chercheurs ont fait ce choix car les approches nanom\u00e9triques (avec des nanotubes de carbone ou des nanofils de silicium) ont le d\u00e9faut d\u2019\u00eatre plus fragiles et flexibles. Par ailleurs, la faible distance entre 2 nanostructures limite drastiquement l\u2019\u00e9paisseur de mat\u00e9riaux actifs d\u00e9posables et donc les performances en densit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie.<\/span><\/p>\n

L\u2019avantage de ce travail r\u00e9alis\u00e9 par deux doctorants (Manon L\u00e9tiche \u2013 th\u00e8se IEMN\/UCCS et Jeremy Freixas\u00a0 \u2013 th\u00e8se IEMN\/IMN) \u00e0 l\u2019\u00e9chelle du microm\u00e8tre est donc double. D\u2019abord, il conf\u00e8re au substrat micro-structur\u00e9 une robustesse permettant le d\u00e9p\u00f4t de toutes les couches n\u00e9cessaires (et d\u2019\u00e9paisseur 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 r\u00e9sisteront ainsi \u00e0 l\u2019enduction centrifuge de r\u00e9sine photosensible visqueuse classiquement utilis\u00e9e en micro\u00e9lectronique\u2026 Le tout pr\u00e9sentant des gains de surface finalement comparables, voire meilleurs, que celui des nanostructures 3D.<\/span><\/p>\n

Une fois ce substrat 3D de qualit\u00e9 cr\u00e9\u00e9, les chercheurs ont d\u00fb d\u00e9poser dessus les mat\u00e9riaux n\u00e9cessaires pour donne vie \u00e0 la micro-batterie Li-ion. Leur travail \u00e9tant une premi\u00e8re preuve de concept et ayant pour but la finalisation d\u2019un prototype, ils ont d\u00e9velopp\u00e9 4 des 6 couches de mat\u00e9riaux n\u00e9cessaires \u00e0 l\u2019obtention d\u2019une batterie compl\u00e8te.<\/span><\/p>\n

La technique utilis\u00e9e pour le d\u00e9p\u00f4t de ces 4 premi\u00e8res couches et celle du d\u00e9p\u00f4t par couche atomique (ALD), technique d\u00e9j\u00e0 utilis\u00e9e \u00e0 l\u2019\u00e9chelle industrielle, par exemple dans le cas du photovolta\u00efque, de la fabrication de transistor ou de m\u00e9moire vive dynamique (DRAM). Elle leur a permis de cr\u00e9er une couche isolante (Al2O3), un collecteur de courant (Pt), une \u00e9lectrode n\u00e9gative (TiO2) et un \u00e9lectrolyte\u00a0 (Li3PO4)<\/span><\/p>\n

\"microtubes_s\"<\/a><\/p>\n

Contrairement \u00e0 beaucoup de confr\u00e8res et \u00e0 ce qui se fait classiquement dans la fabrication de batterie, l\u2019\u00e9lectrolyte est sous forme solide et non liquide. Ainsi, ces micro-batteries ne souffrent pas des limites des \u00e9lectrolytes liquides\u00a0: inflammabilit\u00e9, \u00e9vaporation des solvants, fuite potentielle. Les d\u00e9p\u00f4ts de ces 4 couches \u00e9pousent parfaitement les formes complexes des microstructures 3D (on parle de conformit\u00e9) et l\u2019\u00e9lectrolyte solide Li3PO4 fabriqu\u00e9 par ALD combine une fen\u00eatre de stabilit\u00e9 \u00e9lectrochimique \u00e9lev\u00e9e (4.2 V), une haute conductivit\u00e9 ionique et une faible \u00e9paisseur (10 \u00e0 50 nm) g\u00e9n\u00e9rant une faible r\u00e9sistance surfacique.<\/span><\/p>\n

L\u2019ALD permet, en plus, une tr\u00e8s bonne qualit\u00e9 des d\u00e9p\u00f4ts\u00a0comme ont pu le v\u00e9rifier les chercheurs par plusieurs techniques de caract\u00e9risations avanc\u00e9es (FIB TEM, EDX STEM, tomographie TXM synchrotron)\u00a0: conformit\u00e9 proche de 100 %, pas d\u2019inter-diffusion entre les couches ALD et absence de trous\/fissures\/craquelures.<\/span><\/p>\n

Au final, l\u2019\u00e9quipe a montr\u00e9 un design attractif en regard du cahier des charges des objets connect\u00e9s\/miniaturis\u00e9s (Internet of Things). Ces r\u00e9sultats d\u00e9coulent du travail collaboratif entre 5 laboratoires aux comp\u00e9tences compl\u00e9mentaires. A court terme, l\u2019\u00e9quipe de chercheurs va travailler sur la mise au point de films minces de mat\u00e9riaux d\u2019\u00e9lectrode positive par ALD afin de pouvoir cr\u00e9er des prototypes de micro-batteries 3D fonctionnels dont les performances en densit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie d\u00e9passe celles des micro-batteries planaires.<\/span><\/p>\n

\"wiley\"<\/a>Atomic layer deposition of functional layers for on Chip 3D Li-ion all solid state microbattery.<\/strong>
\nM. L\u00e9tiche, E. Eustache, J. Freixas, A. Demorti\u00e8re, V. De Andrade, L. Morgenroth, P. Tilmant, F. Vaurette, D. Troadec, P. Roussel, T. Brousse, C. Lethien. Advanced Energy Materials, le 11 octobre 2016.<\/em>
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