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Posté par Adrien le Mercredi 12/10/2016 à 00:00
Batteries miniatures nomades: nouveau design 3D
Dans la course à la miniaturisation, une équipe franco-américaine, impliquant principalement des chercheurs du CNRS, de l'université de Lille et de l'université de Nantes, au sein du réseau RS2E (Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (1)), a réussi à améliorer la densité d'énergie d'une batterie sans en augmenter la taille (limitée à quelques millimètres carrés dans les capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension...) nomades). Cette prouesse a été réalisée en concevant une structure 3D à base de microtubes. Il s'agit d'une première étape avant l'obtention d'une microbatterie complète. Les premières expériences montrent l'excellente conductivité de l'électrolyte solide de la batterie, dont les performances, très encourageantes, sont publiées dans la revue Advanced Energy Materials du 11 octobre 2016.



A: squelette 3D de la microbatterie usiné dans un substrat de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) pour former des doubles microtubes. B: vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) schématique d'une microbatterie 3D Li-ion présentant l'empilement des matériaux déposés en couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est de...) par ALD. C: analyse des dépôts couches minces par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie...) électronique à transmission.
© Jeremy Freixas (image A) / Christophe Lethien (image B) / Arnaud Demortière (image C).

A l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en...) des objets connectés, les micro-capteurs intelligents et connectés nécessitent des sources d'énergie embarquées miniatures de grande densité d'énergie. Pour les micro-batteries extra-plates, dites planaires, augmenter cette densité d'énergie passe par l'utilisation de couches de matériaux plus épaisses, ce qui présente une limite évidente. Une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) voie – suivie par les auteurs de la publication – consiste à usiner un wafer (2) de silicium et fabriquer une structure 3D originale, à base de micro-tubes simples ou doubles. La batterie 3D, conservant son empreinte surfacique de 1 mm2, développe ainsi une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) spécifique de 50 mm2: soit un gain de surface d'un facteur 50 ! Robustes, ces micro-tubes sont assez larges (de l'ordre du micron) pour être enduits de plusieurs couches de matériaux actifs (3).

Le principal défi technologique consistait justement à déposer les différents matériaux composant la batterie, en couches fines et régulières sur ces structures 3D complexes. Grâce une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de pointe, le dépôt par couche atomique (ALD en anglais pour Atomic Layer Deposition), les matériaux ont pu épouser parfaitement les formes 3D du socle, sans boucher les structures tubulaires. Les chercheurs ont ainsi créé une couche isolante, un collecteur de courant (en platine), une électrode négative et un électrolyte solide. Les différentes analyses et caractérisations (nanotomographie par rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) et microscopie électronique à transmission (4)) montrent que les couches successives sont d'excellente qualité, avec une conformité proche de 100 %. Les interfaces sont propres (pas d'interdiffusion entre les différents éléments chimiques) et aucun trou, fissure ou craquelure n'a été détecté.


Cliché obtenu avec un microscope électronique à balayage des micro-tubes doubles.
© Christophe Lethien.


Cliché obtenu avec un microscope électronique à balayage des micro-tubes doubles.
© Christophe Lethien.


Analyse tomographique aux rayonnements X synchrotron d'une microstructure recouvert de l'empilement de matériaux.
© Arnaud Demortière / Vincent De Andrade.

Le phosphate (Un phosphate, en chimie inorganique, est un sel d'acide phosphorique résultant de l'attaque d'une base par de l'acide phosphorique.) de lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.), l'électrolyte de cette future micro-batterie 3D, est sous forme solide (5). Après l'avoir déposé par la même technologie ALD, les chercheurs ont montré qu'il 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: des éléments très encourageants pour la performance de la batterie 3D à venir.

La prochaine étape consistera à mettre au point (Graphie) des films minces de matériaux d'électrode positive par ALD pour créer les premiers prototypes 3D fonctionnels et très certainement bien plus performants que les micro-batteries planaires actuelles.

Ces travaux impliquent des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des...) (CNRS/Université de Lille/Isen Lille/Université Valenciennes Hainaut-Cambresis/Ecole centrale de Lille), de l'Unité de catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en...) et de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) du solide (CNRS/Université de Lille/ ENSC Lille/Ecole centrale de Lille/Université Artois), de l'Institut des matériaux de Nantes Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes), du Laboratoire réactivité et chimie des solides (CNRS/Université Picardie Jules Verne) et de l'Argonne national Lab aux Etats-Unis.

Ce travail a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à...) d'un brevet: « Substrat microstructuré », C. Lethien, P. Tilmant, E. Eustache, N. Rolland, T. Brousse, WO2015/052412 A1.
Cette étude a été financée par l'ANR, la DGA, le réseau Renatech, et le réseau RS2E.

Notes:

(1) Lancé en 2011 à l'initiative du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et du ministère de l'Education nationale, de l'Enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances d'un élève par le biais de...) supérieur et de la Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...), ce réseau est co-dirigé par Jean-Marie Tarascon, aujourd'hui professeur au Collège de France, et Patrice Simon, professeur à l'université de Toulouse III - Paul Sabatier.
(2) Le wafer est un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) fin de matériau semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique...), comme le silicium, matériau de choix dans l'industrie de la microélectronique.
(3) Les couches successives de matériaux sont l'essence même d'une pile et d'une batterie.
(4) La nanotomographie par rayonnement X est une technique non destructive qui permet la reconstruction d'images « en coupe » d'un objet à trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...), à l'échelle nanométrique. La microscopie électronique en transmission est de son côté une technique de microscopie où un faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince.
(5) L'électrolyte solide libère des limites de l'électrolyte liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.): inflammabilité, évaporation des solvants, fuite potentielle.


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Source: CNRS