Comment le nitrure de vanadium va alimenter l'Internet des objets
Publié par Redbran le 06/03/2020 à 14:00
Source: CNRS INSIS
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 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...), de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Lille et de l'université de Nantes (L’université de Nantes est une université française située à Nantes. Elle a été créée sous sa forme actuelle par un décret du 29 décembre 1961,...) 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 (En France un MSc est un diplôme d’enseignement supérieur accrédité par la Conférence des grandes écoles.) extrêmement performants et robustes.


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

Les micro-supercondensateurs (MSC) accompagnent la popularité des objets connectés, mais leur stockage d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) doit encore être amélioré dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de 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 (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille...), une forme incompatible avec la miniaturisation 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 for Theoretical Physics est un tel 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) Jean Rouxel (IMN, CNRS/Université de Nantes) et 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 quantité beaucoup plus faible que les...) 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...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) dans des MSC. L'équipe a été soutenue par le Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E) et le réseau Renatech.

Les chercheurs ont utilisé un procédé industriel de la microélectronique: la pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa thèse de doctorat, à l'université Stanford.) cathodique magnétron. Un galet (Un galet est un fragment de roche à l’aspect arrondi, lisse.) de vanadium métallique est pour cela soumis à des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper...) ionisés, puis se condense sur un substrat de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Le matériau délivre une capacité de stockage électrique par unité de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) (> 700 F cm-3) quatre fois supérieure à celle d'électrodes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 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 (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...), les chercheurs ont montré que ces performances étaient dues à la présence d'une infime couche d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de vanadium, qui se forme naturellement quand les électrodes sont en contact avec l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...). C'est elle qui stocke les charges électriques, sans impliquer le reste du matériau, qui se détériore ainsi beaucoup plus lentement.

Référence:
Novel insights into the charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) 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

Contacts:
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) INSIS - insis.communication at cnrs.fr
- Christophe Lethien - christophe.lethien at univ-lille.fr
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