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RÉSUMÉ
La demande croissante en énergie pour la prochaine génération d'appareils électroniques portables et miniaturisés a suscité un vif intérêt dans l'exploration de solutions de stockage d'énergie à une échelle micrométrique. Cet article donne un aperçu de l'état d'avancement des recherches récentes sur les micro-dispositifs de stockage de l’énergie électrique, en particulier ceux faisant appel à des mécanismes réactionnels électrochimiques, et met en exergue leur importance future pour un large spectre applicatif. La fabrication de microsupercondensateurs et de microbatteries tout solide est abordée sous l'aspect des matériaux, des technologies et des indicateurs de performance.
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The ever-growing energy demand for the next generation of portable and miniaturized electronic devices has led to a strong interest in exploring energy storage solutions at a micrometer scale. This paper provides an overview of recent research status on electrical energy storage microdevices, particularly those involving electrochemical reaction mechanisms, and highlights their future importance for a broad application spectrum. The fabrication and integration of all-solid state micro-supercapacitors and microbatteries are discussed with respect to materials, technology and performance metrics.
Auteur(s)
-
Sami OUKASSI : Ingénieur de recherche - Université Grenoble Alpes, CEA, Leti, Grenoble, France
INTRODUCTION
La demande croissante en énergie pour la prochaine génération d'appareils électroniques portables et miniaturisés a suscité un vif intérêt dans l'exploration de dispositifs de stockage d'énergie à une échelle micrométrique. En effet, de très nombreux dispositifs connectés à internet seront déployés et ils consomment individuellement une énergie très faible, sous une puissance instantanée également faible.
Cet article donne un aperçu de l'état d'avancement des recherches récentes sur les microdispositifs de stockage de l’énergie électrique, en particulier ceux faisant appel à des mécanismes réactionnels électrochimiques, il met en exergue leur importance future pour un large spectre applicatif. Par ailleurs, de nombreux efforts ont été consacrés à la fabrication et l’intégration de microsupercondensateurs et de microbatteries tout solide. Ces microdispositifs sont caractérisés par une durée de vie prolongée et une large gamme de températures de fonctionnement. Comparée aux solutions conventionnelles, l’architecture en empilement de couches minces denses réduit la longueur de diffusion des ions, améliorant ainsi la densité de puissance et favorisant la co-intégration avec des systèmes miniaturisés et hétérogènes. Cependant, de nombreux défis tels que l’instabilité aux interfaces, la faible densité d’énergie volumique et le coût de fabrication élevé continuent d’entraver la diffusion à plus grande échelle des microbatteries et microsupercapacités. La sélection des matériaux, la mise en œuvre de microtechnologies et les indicateurs de performances sont analysés. Un diagramme dit de Ragone permet de situer le compromis posé entre la puissance disponible aux bornes du dispositif de stockage et l’énergie stockée. L’impact du cyclage des microdispositifs de stockage est commenté. Enfin, les axes de recherche à moyen termes, les défis techniques et les perspectives d’optimisation sont également discutés.
Points clés
Domaine : stockage miniature de l’énergie
Degré de diffusion de la technologie : émergence
Technologies impliquées : microfabrication
Domaines d’application : stockage et conversion de l’énergie pour réseaux d’objets connectés IoT
Principaux acteurs français :
-
CEA LETI, CIRIMAT, IEMN
-
InjectPower, Murata Integrated Passive Solutions
Autres acteurs dans le monde :
États-Unis : MIT, université Stanford, Oak ridge national Labs, université du Maryland
Corée : institut KIST, université Postech
Taïwan : université Nationale de Taiwan
KEYWORDS
electrical energy storage | microbatteries | microsupercapacitors
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Enjeux et perspectives d’optimisation
3.1 Nouveaux matériaux et procédés de microfabrication
La capacité surfacique la plus élevée rapportée pour une microbatterie inorganique intégrée à l'état solide est de 1,5 mAh.cm−2 en 2023, en utilisant une architecture sans anode LiCoO2 (30 µm)/LiPON/Ti . À partir de là, la densité de puissance doit encore être significativement améliorée pour répondre aux besoins des applications, et notamment à celles requises pour les opérations de transmission de données. Dans ce contexte, un premier objectif est de maintenir 1 mAh.cm−2 à des densités de courant de décharge de 10 mA.cm−2.
Parallèlement, des dispositifs innovants de microsupercondensateurs offrant une capacité sur une large bande (du courant continu à des courants dynamiques allant jusqu’au GHz) permettent de combiner le microstockage de l'énergie ionique et diélectrique. La projection de la densité de capacité surfacique est de 5 mF.cm−2 jusqu'à 10 kHz. Dans ce contexte, un deuxième objectif est de maintenir 5 mF.cm−2 au-dessus de 1 MHz.
Ces objectifs axés sur les besoins d’applications sont traduits en termes de défi scientifique principal au niveau des matériaux, à savoir le développement d'une nouvelle génération de matériaux électrolytes solides à conductivité ionique élevée en couche mince (figure 9).
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BIBLIOGRAPHIE
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