L'Internet des objets doit mieux s'alimenter
Publié par Redbran le 08/02/2019 à 14:00
Source: CNRS Journal
Combinant miniaturisation et liaison sans-fil, les appareils nomades ont besoin de sources d'électricité pérennes et rapides: micro-supercondensateurs et microbatteries pourraient être la solution.

De plus en plus d'appareils fonctionnent de manière autonome voire sans contact physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...): leur mise en 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...) forme ce que l'on appelle l'Internet des objets (L'Internet des objets représente l'extension d'Internet à des choses et à des lieux dans le monde réel. Alors qu'Internet ne se prolonge habituellement pas au-delà du...) (Internet of things ou IoT). Extrêmement nombreuses, les applications vont de l'assistant personnel (Un assistant numérique personnel est un appareil numérique portable, souvent appelé par son sigle anglais PDA pour Personal Digital Assistant.) connecté à un site de commerce en ligne, à un capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On fait...) placé par des chercheurs au fin fond de la forêt (Une forêt ou un massif forestier est une étendue boisée, relativement dense, constituée d'un ou plusieurs peuplements d'arbres et d'espèces...) amazonienne. À commencer par le Smartphone, qui ne se limite pas aux communications volontaires de son propriétaire, mais échange constamment avec le monde (Le mot monde peut désigner :) extérieur pour vérifier si ses applis sont à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) et pour synchroniser les comptes. Le succès du sans-fil s'accompagne également d'une miniaturisation croissante afin de rendre ces objets nomades presque indétectables. Reste que pour les faire fonctionner, il leur faut à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) moment pouvoir compter sur une source d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...).


Schéma illustrant des micro-supercondensateurs 3D utilisant un squelette micrométrique (gauche) ou nanométrique (droite). Collaboration IEMN / IMN - A. Duchenne / C. Lethien

Stocker plus et restituer vite

Tout comme les batteries, les supercondensateurs stockent et libèrent de l'électricité grâce à des réactions électrochimiques. Qu'ils soient à l'échelle macroscopique ou d'une taille micrométrique, leur principe reste le même: deux électrodes échangent des ions qui transitent dans un électrolyte. Les mécanismes de stockage sont en revanche différents: la batterie stocke les charges dans la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte)...) tandis que le supercondensateur (Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire...) le fait à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) entre les électrodes et l'électrolyte. Les batteries sont ainsi capables d'emmagasiner beaucoup plus 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.), quand les supercondensateurs peuvent la restituer avec plus de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et sans s'user. Combiner ces propriétés dans un même 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 sélectionnée en raison de propriétés...) n'est malheureusement pas encore possible.

La principale solution consiste donc à associer les deux systèmes lorsque l'on descend aux échelles micrométriques. David Pech, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) 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).) au Laboratoire d'analyse et d'architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) des systèmes (LAAS) du CNRS, explique ainsi que "les procédés de fabrication et dépôts de couches minces sont très proches entre des microbatteries et des micro-supercondensateurs. Ils se distinguent surtout au niveau des matériaux utilisés et de leurs mécanismes de stockage de charges".

L'objectif reste de garantir l'autonomie de capteurs nomades, avec le moins de maintenance possible. Un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) connecté, miniaturisé ou non, qui effectue des relevés dans son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...) proche se compose de plusieurs éléments échangeant les informations mesurées.

Elles sont centralisées, stockées puis transmises via des communications sans fil vers un centre de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). L'alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) de ces objets connectés doit donc leur permettre à la fois de fonctionner, puis de communiquer avec les noeuds du réseau, comme le précise Christophe Lethien, maître de conférences à 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 où les...) de Lille et membre 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...) d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes...) (1).

"La plupart des objets connectés miniaturisés consomment une puissance moyenne qui doit être maintenue pendant plusieurs minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée...) ou heures (L'heure est une unité de mesure  :), ce qui correspond aux propriétés des microbatteries. Ils doivent cependant transmettre des données au bout d'un certain temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), par exemple une fois par jour. Cette opération réclame un pic de puissance, que seul un micro-supercondensateur peut fournir. Cet exemple illustre parfaitement la complémentarité des microbatteries et des micro-supercondensateurs. Il démontre ainsi l'intérêt d'avoir cette approche combinée", explique Christophe Lethien.

Une affaire de surface

Les microdispositifs étant limités par leur taille réduite, on s'efforce d'améliorer les propriétés des micro-supercondensateurs, notamment en augmentant leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence...) d'énergie qui correspond à la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) d'énergie qu'ils peuvent stocker par unité de surface. Les chercheurs privilégient donc des architectures en 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 pièce de révolution.), avec des matériaux souvent poreux. Ils démultiplient ainsi la surface de l'interface entre les électrodes et l'électrolyte, puisque c'est là que l'énergie est emmagasinée.


Micro-supercondensateurs 3D recouvert d'une goutte d'électrolyte (haut) et d'une électrolyte solide ionogel (bas). Collaboration IEMN / IMN - E. Eustache / C. Lethien

"Nous ne voulons pas augmenter la densité d'énergie d'un facteur deux ou trois, mais créer une véritable rupture, affirme David Pech. Nous avons beaucoup étudié ces dernières années l'oxyde de ruthénium, connu pour sa grande capacité, mais aussi pour son coût prohibitif. Or, aux échelles micrométriques, on en utilise de si faibles quantités que son emploi devient envisageable." Les tailles réduites ont un autre avantage: la diminution de la distance entre les électrodes accélère les échanges d'ions et augmente ainsi la puissance délivrée. Elles facilitent également la récupération d'énergie, puisque puiser dans d'infimes sources d'énergie de l'environnement d'un microdispositif (chaleur, variations de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...), vibrations...) suffit à recharger ces micro-supercondensateurs.

Recherche procédé industriel

Toutefois, en dépit de pistes prometteuses explorées depuis une quinzaine d'années par les chercheurs, faute d'un procédé de production industriel, aucun micro-supercondensateur n'est actuellement commercialisé. Les prototypes conçus en laboratoire montrent pourtant des propriétés exceptionnelles, comme supporter plusieurs millions de cycles de 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...) et de décharge quand les batteries d'un Smartphone vont décliner bien avant d'atteindre le millier."Il faudrait travailler à partir de procédés industriels issus de la microélectronique afin de faciliter les transferts de technologie du laboratoire vers l'industrie, baisser les prix et rendre les méthodes plus reproductibles, détaille Christophe Lethien. Mais le principal verrou des micro-supercondensateurs reste l'électrolyte." Ce matériau, qui conduit les ions entre les deux électrodes, est solide dans les microbatteries. Pour les micro-supercondensateurs, il se présente par contre sous forme liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), ce qui pose de nombreux défis d'étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être compris dans de nombreux domaines.). Souvent corrosif, l'électrolyte s'encapsule mal aux petites échelles, car les parois qui le retiennent sont trop fines.

Alors, pourquoi ne pas passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) à une version solide ? "C'est une question de rapidité, répond Christophe Lethien. Les ions circulent plus vite dans un électrolyte liquide que dans un électrolyte solide. Or nous avons justement besoin que les transferts se fassent le plus rapidement possible pour fournir les pics de courant caractéristiques des micro-supercondensateurs." Leur constante de temps se compte en effet en millisecondes, contre plusieurs heures pour les microbatteries. Pour trouver un juste milieu, des équipes françaises, comme celle de Jean Le Bideau et de Thierry Brousse à l'Institut des matériaux Jean Rouxel (2) ou celle de Patrice Simon du Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) des matériaux (3), développent par exemple des électrolytes sous forme de ionogels.

"La recherche française dans le stockage électrochimique de l'énergie s'est structurée depuis huit ans autour du réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E). Avec une bonne dizaine de laboratoires travaillant sur les microbatteries et les micro-supercondensateurs, la France possède un solide savoir-faire scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.), conclut Christophe Lethien. Malheureusement, peu d'industriels s'y intéressent alors que nous adorerions discuter avec eux pour qu'ils puissent nous expliquer leurs besoins."

Notes:
(1) Unité CNRS/ISEN Lille/Yncréa/Renatech/Université polytechnique Hauts-de-France/Centrale Lille/Université de Lille).
(2) Unité CNRS/Université de Nantes.
(3) Unité CNRS/Université de Toulouse-III Paul Sabatier/INP Toulouse.
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