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RÉSUMÉ
Avec le développement des systèmes électroniques embarqués et de la technologie sans fil, se pose la question de la miniaturisation des dispositifs de stockage d'énergie. De nos jours, cette fonction est principalement assurée par des accumulateurs de petite dimension appelés communément mini ou micro-batteries. Ces dispositifs possèdent cependant une faible puissance disponible, une durée de vie limitée et un domaine de fonctionnement en température restreint. Les micro-supercondensateurs sur puce permettraient de s'affranchir de ces limitations, mais ils ne sont aujourd'hui qu'au stade de la recherche universitaire. Les défis sont essentiellement d'ordre technologique, avec différents procédés de dépôt de la matière active par des méthodes collectives compatibles avec les procédés de micro-fabrication.
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Magali BRUNET : Chargée de recherche au LAAS-CNRS, UPR 8001, Toulouse
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David PECH : Chargé de recherche au LAAS-CNRS, UPR 8001, Toulouse
INTRODUCTION
Avec le développement des systèmes électroniques embarqués et de la technologie sans fil se pose la question de la miniaturisation des dispositifs de stockage d’énergie. De nos jours, cette fonction est principalement assurée par des accumulateurs de petite dimension appelés communément mini- ou micro-batteries. Ces dispositifs possèdent cependant une faible puissance disponible, une durée de vie limitée et un domaine de fonctionnement en température restreint. Les “micro-supercondensateurs” sur puce permettraient de s'affranchir de ces limitations, mais ils ne sont aujourd’hui qu’au stade de la recherche universitaire. Les défis sont essentiellement d’ordre technologique, avec différents procédés de dépôt de la matière active par des méthodes collectives compatibles avec les procédés de micro-fabrication.
The miniaturization of portable electronic systems, as well as the emergence of wireless sensors networks, raise an essential issue : how to implement a sustainable source of energy of appropriate size ? Powering may be assured by small batteries (called mini- or micro-batteries depending). These components are however limited in power, lifetime and temperature range. The integration of low-profile, miniaturized supercapacitors could satisfy in this sense a variety of micro-power demands. However, it is still an emerging field of research. The main challenge is the development of IC-compatible technological processes for the deposition of the active material.
stockage de l’énergie électrique, supercondensateur, miniaturisation, micro-technologies, autonomie énergétique des systèmes embarqués.
electrical energy storage, supercapacitor, miniaturization, micro-technologies, autonomous self-powered systems.
Points clés
Domaine : stockage miniature de l’énergie
Degré de diffusion de la technologie : Emergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : technologies flexibles, micro-fabrication
Domaines d’application : réseaux de capteurs sans fil, électronique nomade
Principaux acteurs français :
Pôles de compétitivité : aéronautique et espace
Centres de compétence : LAAS-CNRS ; CIRIMAT, université de Toulouse
Autres acteurs dans le monde :
États-Unis : université de Stanford, MIT, université de Californie (Berkeley), université de Georgia Tech, université Internationale de Floride, NRL
Corée : KIST, POSTECH
Taiwan : université Nationale de Taiwan
Chine : université Tsinghua de Beijing, université de Xiamen
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
miniaturisation stockage de l'énergie électrique supercondensateur micro-technologies autonomie énergétique des systèmes embarqués
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État de l’art sur les supercondensateurs intégrables1. Contexte
L’avènement des micro- et nano-systèmes permet d’envisager un grand nombre d’applications nouvelles à fort impact sociétal, allant de l’électronique nomade aux réseaux de capteurs autonomes sans fil (application biomédicale, domotique, transport, environnement...) .
Le défi majeur pour ces systèmes électroniques est lié à une problématique d’autonomie énergétique puisqu’ils nécessitent des ressources énergétiques locales, à la fois pour la mesure, le traitement de l’information et la communication. Malgré les perspectives ouvertes par les micro-batteries Li et Li-ion, ces dispositifs présentent une durée de vie limitée, imposant une restriction sur l’autonomie du système complet, surtout s’ils sont insérés de façon permanente dans les structures (aéronautique, bâtiment), dans les vêtements, ou “abandonnés” dans l’environnement. Par ailleurs, l’élément de stockage doit parfois fonctionner dans des conditions extrêmes comme les basses températures (applications aéronautiques et spatiales) et doit fournir des pics de courant pendant des temps très brefs pour l’alimentation rapide de certains capteurs/actionneurs.
Malgré une capacité en énergie moins grande que les batteries, les supercondensateurs (ou condensateurs électrochimiques), sont à ce titre très attractifs, car ils possèdent une durée de vie quasiment illimitée (plus de 100 000 cycles charge/décharge par rapport à 500 à 1 000 cycles pour les batteries), des densités de puissance beaucoup plus élevées, et une aptitude à fonctionner, selon l’électrolyte utilisé, sur une large gamme de température [D 3 334] ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SRIVASTAVA (N.) - Challenges of Next-Generation Wireless Sensor Networks and its impact on Society - J. Telecomm., 1, p. 128-33 (2010).
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(2) - SIMON (P.), GOGOTSI (Y.) - Materials for electrochemical capacitors - Nature Mater., 7, p. 845-54 (2008).
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(3) - CHOI (D.), E. BLOMGREN (G.), N. KUMTA (P.) - Fast and Reversible Surface Redox Reaction in Nanocrystalline Vanadium Nitride Supercapacitors - Adv. Mater., 18, p. 1178-82 (2006).
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(4) - NAOI (K.), SIMON (P.) - New Materials and New Configurations for Advanced Electrochemical Capacitors - The Electrochem. Soc. Interface, 17, p. 34-7 (2008).
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(5) - NISHIDE (H.), OYAIZU (K.) - Towards Flexible Batteries - Science, 319, p. 737-8 (2008).
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(6) - KAEMPGEN (M.), MA (J.), GRUNER (G.), WEE (G.), MHAISALKAR (S.G.) - Bifunctional carbon nanotube networks for supercapacitors - Appl....
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