Batteries miniatures nomades : nouveau design 3D

A l’heure 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 voie – suivie par les auteurs de la publication – consiste à usiner un wafer 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 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.

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 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 X synchrotron et microscopie électronique à transmission) 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.

Le phosphate de lithium, l’électrolyte de cette future micro-batterie 3D, est sous forme solide. 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 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 d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS/Université de Lille/Isen Lille/Université Valenciennes Hainaut-Cambresis/Ecole centrale de Lille), de l’Unité de catalyse et de chimie 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 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.