Nouveaux types d’électrodes pour les microsupercondensateurs

L’autonomie énergétique de l’électronique nomade repose essentiellement sur les batteries dont les performances n’ont cessé d’augmenter au cours des dernières décennies. Pour les produits grand public (smartphones, tablettes, appareils photo, baladeurs numériques...), les principaux inconvénients restants sont le poids, la fréquence de recharge et la durée de vie.

Un autre domaine d’application où l’autonomie énergétique est beaucoup plus critique est celui des réseaux de capteurs autonomes où l’on cherche à déployer des microcapteurs et l’électronique associée dans l’environnement. Ces capteurs sont placés en réseau et doivent être communicants : ils peuvent être utilisés dans une large gamme de domaines allant de la santé (dispositifs implantés), des bâtiments intelligents (surveillance des structures), de la radio-identification (marqueurs RFID), de l’automobile ou encore de la maintenance prédictive (pour les machines et infrastructures). À l’heure actuelle, la durée de vie de ces réseaux de capteurs est limitée par celle des batteries servant à les alimenter, ce qui pose un problème dans les applications nécessitant une mise en place d’un réseau permanent impliquant un nombre important de capteurs. L’entretien du réseau devient alors économiquement et logistiquement impraticable. En effet, en dépit de l’amélioration continue de la capacité des microbatteries et de la réduction de la consommation électrique des composants électroniques, l’énergie embarquée s’épuise soit parce qu’elle a été consommée, soit par autodécharge, au mieux au bout de quelques années.

La question de l’énergie est alors centrale dans ces réseaux. Une solution pertinente consiste à récupérer l’énergie disponible dans l’environnement des capteurs (vibrations, chaleur, lumière) pour les alimenter. Cela permettrait d’allonger de façon significative la durée de vie de la batterie, voire de l’éliminer complètement. L’énergie environnante étant récupérée de manière intermittente, un dispositif de stockage de l’énergie électrique reste cependant nécessaire pour assurer l’autonomie énergétique de chaque élément du réseau.

Malgré une densité d’énergie plus faible que les batteries, les supercondensateurs (ou condensateurs électrochimiques) sont à ce titre très attractifs car ils possèdent une durée de vie quasiment illimitée. Des supercondensateurs intégrables au niveau du système ou au niveau de la puce comme composants miniaturisés permettraient donc des progrès majeurs dans le développement des systèmes embarqués et autonomes en énergie. Cette alternative aux microbatteries conduit actuellement à l’essor des microsupercondensateurs.

S’ils font l’objet d’un nombre croissant de travaux depuis 2006, les microsupercondensateurs n’ont pas encore trouvé d’applications concrètes. En effet, leur faible densité d’énergie surfacique ne leur permet pas aujourd’hui d’alimenter durablement des capteurs ou tout autre composant électronique. Afin d’accroître leurs performances énergétiques pour une empreinte surfacique limitée dans le circuit électronique, l’électrode du microsupercondensateur doit contenir une quantité importante de matériau actif par unité de surface. De nouveaux types d’électrodes, basées sur des architectures tridimensionnelles, ont permis à des microsupercondensateurs de se rapprocher des résultats des microbatteries, sans pour autant perdre leurs avantages en termes de cyclabilité et de densité de puissance.

Cet article dresse un état de l’art et une analyse critique des performances des électrodes destinées aux microsupercondensateurs pour les réseaux de capteurs communicants.