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Article

1 - MICROBATTERIE AU LITHIUM : PRINCIPE ET SPÉCIFICITÉS

2 - MATÉRIAUX

3 - DIFFÉRENTS TYPES D'ARCHITECTURES

4 - TECHNOLOGIES DE MISE EN ŒUVRE

  • 4.1 - Réalisation par PVD
  • 4.2 - Réalisation par CVD

5 - CARACTÉRISATIONS DES COUCHES MINCES ET DES MICROBATTERIES

  • 5.1 - Épaisseur, masse
  • 5.2 - Composition chimique
  • 5.3 - Structure, morphologie et microstructure des couches minces
  • 5.4 - Conductivité ionique et électronique
  • 5.5 - Caractérisations électrochimiques et mécanismes d'oxydo-réduction

6 - PERSPECTIVES DE DÉVELOPPEMENT INDUSTRIEL

  • 6.1 - Microbatteries comme solution d'énergie de secours (back-up )
  • 6.2 - Microbatteries pour alimentation d'étiquettes RFID
  • 6.3 - Microbatteries pour alimentation de capteurs autonomes

Article de référence | Réf : D3342 v2

Différents types d'architectures
Microbatteries - Microsources d'énergie en couches minces

Auteur(s) : Alain LEVASSEUR, Brigitte PECQUENARD, Philippe VINATIER, Raphaël SALOT, Frédéric LE CRAS, Michel MARTIN

Relu et validé le 15 sept. 2020

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RÉSUMÉ

Les microsources de courant appelées microbatteries, restées longtemps au stade de la recherche universitaire, se sont développées quasi industriellement suite à la miniaturisation des systèmes nomades comportant des microcircuits électroniques. Une microbatterie est un générateur électrochimique rechargeable présentant deux types possibles d’architecture. Elle est composée d'un empilement d’une dizaine de couches minces sur un substrat plan (verre, céramique, silicium isolé, métal isolé, polymère revêtu d'une couche barrière à l'humidité). Chaque couche mince possède une géométrie particulière afin que l'empilement soit fonctionnel. Trois sont actives (électrode positive, électrolyte, électrode négative), les autres étant des couches protectrices, isolantes ou servant de collecteur de courant.

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Auteur(s)

  • Alain LEVASSEUR : Professeur à l'ENSCPB, CNRS, Université de Bordeaux, Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) (UPR CNRS 9048)

  • Brigitte PECQUENARD : Maître de Conférences à l'ENSCPB, CNRS, Université de Bordeaux, Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) (UPR CNRS 9048)

  • Philippe VINATIER : Maître de Conférences à l'ENSCPB, CNRS, Université de Bordeaux, Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) (UPR CNRS 9048)

  • Raphaël SALOT : Ingénieur-chercheur au Commissariat à l'énergie atomique (CEA-LITEN)

  • Frédéric LE CRAS : Ingénieur-chercheur au Commissariat à l'énergie atomique (CEA-LITEN)

  • Michel MARTIN : Ingénieur de recherches (HEF R) - Chef de projet

INTRODUCTION

La miniaturisation des systèmes nomades comportant des microcircuits électroniques, l'augmentation très importante de leurs fonctionnalités impliquent l'adaptation des sources d'énergies qui leur sont associées, d'où le développement de microsources de courant appelées microbatteries.

Une microbatterie est définie comme étant un générateur électrochimique tout solide rechargeable ayant une épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de micromètres (typiquement de 10 à 25 μm), une aire variant de quelques mm 2 à quelques cm2 et constitué par l'empilement d'une dizaine de couches minces ; trois sont « actives » ( électrode positive, électrolyte, électrode négative ), les autres étant des couches protectrices, isolantes ou servant de collecteur de courant.

L'étude des microbatteries qui a débuté dans les années 1980 est restée longtemps au stade de la recherche universitaire, mais depuis quelques années, ces systèmes sont entrés dans une phase de développement industriel, voire de pré-industrialisation.

Il ne faut pas confondre les microbatteries avec d'autres systèmes plus conventionnels constitués généralement d'électrodes composites poreuses et d'un électrolyte polymère (ou d'un électrolyte liquide), chacun de plusieurs dizaines de micromètres d'épaisseur, capables de fournir un courant et une capacité surfacique plus importants. Il s'agit alors de minibatteries.

Bien qu'impropre, nous utiliserons le terme batterie ou microbatterie qui est maintenant communément utilisé et qui dérive de l'anglicisme « microbattery ». Rigoureusement, une batterie est un assemblage d'accumulateurs connectés en série ou parallèle.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3342


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3. Différents types d'architectures

3.1 Microbatteries 2D

Les microbatteries 2D désignent des microbatteries composées d'un empilement de couches minces sur un substrat plan (verre, céramique, silicium isolé, métal isolé, polymère revêtu d'une couche barrière à l'humidité). Chaque couche mince possède une géométrie particulière afin que l'empilement soit fonctionnel.

La géométrie désirée peut être obtenue :

  • soit en réalisant le dépôt au travers d'un masque mécanique (pochoir) ;

  • soit au moyen des techniques de gravure après que le dépôt ait été réalisé sur toute la surface du substrat.

L'épaisseur totale de l'empilement, hors encapsulation, est de quelques micromètres. L' encapsulation peut être réalisée :

  • soit par dépôt de couches minces alternant polymère et couche dense (métal ou silice) ;

  • soit par un laminage d'une feuille barrière adhésive (aluminium + adhésif).

Cette encapsulation doit être parfaite vis-à-vis de l'humidité.

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3.1.1 Technologies de dépôt

Les technologies les plus utilisées pour réaliser les couches minces des microbatteries sont de type PVD ( Physical Vapor Deposition), PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition ), VDP (Vapor Deposition of Polymer), et plus rarement, CVD ( Chemical Vapor Deposition).

Les technologies PVD et PACVD permettent de réaliser des dépôts minces de tous types de matériaux sur des substrats relativement froids (température inférieure à 200 oC), ce qui permet l'utilisation de nombreux substrats.

Les technologies CVD nécessitent un substrat porté à une température de l'ordre de 1 000 oC, ce qui en limite considérablement l'emploi, aussi bien du point de vue de la nature du substrat que des problèmes secondaires générés par une telle température (homogénéité, dilatations différentielles des éléments substrat/batterie/masque pour l'essentiel).

Les techniques les plus utilisées pour le dépôt...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KIM (I.S.), VAUGHEY (J.T.), AUCIELLO (O.) -   *  -  J. Electrochem. Soc., 155, p. A448-A451 (2008).

  • (2) - KIM (J.B.), LEE (H.Y.), LIM (S.H.), LEE (S.M.) -   *  -  Electrochem. Comm., 5, p. 544-548 (2003).

  • (3) - NEUDECKER (B.J.), ZUHR (R.A.), BATES (J.B.) -   *  -  J. Power Sources, 81-82, p. 27-32 (1999).

  • (4) - PHAN (V.P.), PECQUENARD (B.), LE CRAS (F.), BOUILLON (P.), DELMAS (C.) -   *  -  Abstract # 677, 214 th ECS meeting, Honolulu (2008).

  • (5) - NEUDECKER (B.J.), DUDNEY (N.J.), BATES (J.B.) -   *  -  J. Electrochem. Soc., 147, p. 517-523 (2000).

  • (6) - VINATIER (P.), HAMON (Y.) -   Applications of ion transport in disordered solids.  -  Dans « Charge transport in disordered solids with applications in electronics » , edited by BARANOVSKI (S.), Wiley & Sons Ltd. (2006).

  • ...

1 Événements

Lithium Battery Discussion (LiBD) tous les 2 ans.

International Meeting on Lithium Batteries (IMLB)

Electrochemical Society 2 fois par ans, http://electrochem.org

HAUT DE PAGE

2 Brevets

Demande de brevet US2007/0006807 Magnetic Mask Holder

Brevet US2005/0016458 Apparatus for producing thin-film electrolyte

HAUT DE PAGE

3 Annuaire

HAUT DE PAGE

3.1 Entreprises développant des microbatteries

• STMicroelectronics (Tours) http://www.st.com

Étranger :

• Oak Ridge Micro-Energy (Oak Ridge, Tennessee) http://www.oakridgemicro.com

• Excellatron (Atlanta, Georgia) http://www.excellatron.com

• Cymbet (Elk River, Minnesota) http://www.cymbet.com

• Infinite Power Solutions (Denver,...

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