Micro-supercondensateurs à base de films de carbone nanoporeux intégrés sur silicium : Conclusion

Présentation

RÉSUMÉ

La multiplication des applications mobiles engendre un besoin en systèmes de stockage de l’énergie compacts et performants. Cet article présente la conversion de films de carbure de titane (TiC) intégrés sur wafer de silicium en carbone nanoporeux. Le contrôle des paramètres de la chloration (température, temps) permet d’obtenir des films de carbone adhérents présentant des propriétés d’élasticité uniques, avec des valeurs de capacité exceptionnellement élevées en milieu aqueux. L’utilisation d’un électrolyte organique engendre des densités d’énergies et de puissance surpassant celles des meilleurs micro-supercondensateurs carbone-carbone reportés jusqu’à présent.

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ABSTRACT

Micro-supercapacitors from on-chip nanoporous carbon films

The growing demand for portable electronic devices brings new needs in high performance miniaturized energy storage devices. This article presents the conversion of titanium carbide (TiC) films integrated on silicon wafers into nanoporous carbon. Fine-tuning of the chlorination parameters (temperature, duration) ensures adherence of the carbon films, which exhibit unique mechanical properties. High capacitance values are obtained in aqueous media. Moving from aqueous to organic electrolyte offers higher energy and power densities, challenging the best carbon-based micro-supercapacitors reported so far.

Auteur(s)

Kévin BROUSSE : CIRIMAT, université de Toulouse, UMR CNRS 5085, INPT, UPS Toulouse, France - Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie, FR CNRS n° 3459, France
Peihua HUANG : CIRIMAT, université de Toulouse, UMR CNRS 5085, INPT, UPS Toulouse, France - Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie, FR CNRS n° 3459, France
Sébastien PINAUD : Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO), UMR 5215, Institut national des sciences appliquées (INSA), université de Toulouse, France
Christophe LETHIEN : Institut d’électronique de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN), université Lille 1 Sciences et technologies, UMR CNRS 8520, Villeneuve d’Ascq cedex, France - Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie, FR CNRS n° 3459, France
Barbara DAFFOS : CIRIMAT, université de Toulouse, UMR CNRS 5085, INPT, UPS, Toulouse, France - Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie, FR CNRS n° 3459, France
Pierre-Louis TABERNA : CIRIMAT, université de Toulouse, UMR CNRS 5085, INPT, UPS, Toulouse, France - Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie, FR CNRS n° 3459, France
Patrice SIMON : CIRIMAT, université de Toulouse, UMR CNRS 5085, INPT, UPS, Toulouse, France - Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie, FR CNRS n° 3459, France

INTRODUCTION

Les condensateurs à double couche électrochimique (aussi appelés « supercondensateurs EDLC ») stockent l’énergie par adsorption réversible des ions d’un électrolyte à la surface de carbones de grande surface spécifique (> 1 000 m² · g^–1). Ce processus de stockage électrostatique de surface engendre de fortes densités de puissance (> 10 kW · kg^–1), avec une cyclabilité exceptionnelle du fait de l’absence de changement notable de volume des électrodes. L’utilisation de matériaux carbonés à porosité contrôlée conduit à une augmentation significative des valeurs de densité d’énergie. Actuellement utilisés dans une grande variété d’applications dont le transport, les supercondensateurs de petite taille pourraient répondre aux nouvelles exigences de mobilité et d’autonomie que requièrent certaines applications nomades. Dans ce cas, il devient nécessaire de miniaturiser ces systèmes et le développement de procédés de fabrication compatibles avec leur intégration sur des wafers de silicium reste un défi à relever.

Cet article décrit la fabrication de micro-supercondensateurs à électrodes interdigitées via l’extraction contrôlée des atomes métalliques de films de carbure de titane sous atmosphère chlorée, entièrement compatible avec les procédés de fabrication utilisés dans l’industrie de la microélectronique. Les films de carbones dérivés de carbures (CDC) obtenus sont très adhérents, nanoporeux et offrent une combinaison unique de propriétés électrochimiques et mécaniques pouvant être modulées avec les paramètres de synthèse. Par exemple, en contrôlant la taille des pores avec la température de chloration, des capacités volumiques de 410 F · cm^–3 et de 140 F · cm^–3 ont été obtenues respectivement en électrolyte aqueux et électrolyte organique, surpassant celles des meilleurs supercondensateurs carbone-carbone reportés jusqu’à présent. Par ailleurs, la tenue mécanique de la couche de carbone ainsi synthétisée est remarquable, offrant sous certaines conditions la possibilité d’obtenir des films autosupportés transférables sur substrats polymères, ce qui ouvre la voie vers le développement de micro-supercondensateurs flexibles.

Points clés

Domaine : Stockage électrochimique de l’énergie.

Degré de diffusion de la technologie : Émergence.

Technologies impliquées : Supercondensateurs.

Domaines d’application : Microélectronique.

Principaux acteurs français :

Centres de compétence : CIRIMAT UMR CNRS 5085, université Paul Sabatier, Toulouse ; IEMN UMR CNRS 8520, université Lille 1 Sciences et Technologies

Contact : [email protected]

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MOTS-CLÉS

micro-supercondensateurs carbone dérivé de carbure micro-fabrication hautes performances films auto-supportés

KEYWORDS

micro-supercapacitors | carbide-derived carbon | micro-fabrication | high performance | self-supported films

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in188

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Glossaire

En anglais

4. Conclusion

L’intégration de supercondensateurs dans l’électronique incarne un véritable challenge du fait de la limitation de l’espace disponible pour le stockage de l’énergie sur silicium. Un procédé de fabrication de films de carbones nanoporeux très adhérents à partir de carbone dérivé de carbure a été démontré, au même titre que la préparation de micro-supercondensateurs à l’échelle du wafer. Le dépôt de TiC, la gravure sous atmosphère réactive permettant d’obtenir des motifs interdigités et la chloration sont des procédés entièrement compatibles avec les technologies développées par l’industrie du silicium. Les films de CDC délivrent des capacités élevées de 410 F · cm^–3/205 mF · cm^–2 en électrolytes aqueux. Ces films ont pu être testés en milieu organique en augmentant la taille des pores via une chloration à température plus élevée