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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Alain LEVASSEUR : Professeur à l'ENSCPB, CNRS, Université de Bordeaux, Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) (UPR CNRS 9048)
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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)
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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)
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Raphaël SALOT : Ingénieur-chercheur au Commissariat à l'énergie atomique (CEA-LITEN)
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Frédéric LE CRAS : Ingénieur-chercheur au Commissariat à l'énergie atomique (CEA-LITEN)
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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.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 1998 par Jean-Paul TERRAT, Michel MARTIN, Alain LEVASSEUR, Georges MEUNIER, Philippe VINATIER
DOI (Digital Object Identifier)
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Matériaux
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1. Microbatterie au lithium : principe et spécificités
1.1 Intérêt des systèmes électrochimiques au lithium
Parmi les très nombreux travaux de R qui sont actuellement menés sur les microbatteries, ceux portant sur les systèmes comportant une électrode négative en lithium métallique sont particulièrement prometteurs.
Trois raisons essentielles à cela :
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le potentiel du couple Li+/Li est le plus faible de tous les couples oxydo-réducteurs ( E 0 = – 3 V/ENH) ; le lithium est en effet l'élément le plus réducteur. Il peut être associé à tout autre matériau mettant en jeu un couple rédox et capable d'insérer du lithium, qui constitue alors l'électrode positive. La différence de potentiel du générateur peut atteindre de 3 à 5 V selon le matériau choisi ; puissance et énergie sont alors tout à fait remarquables. En contrepartie, le potentiel très bas que possède le couple Li +/Li a pour corollaire une très grande réactivité chimique vis-à-vis de l'électrolyte avec lequel il est nécessairement en contact. Il est donc absolument nécessaire d'utiliser des électrolytes solides chimiquement et électrochimiquement très stables, et de disposer d'une encapsulation efficace pour protéger les matériaux actifs de la microbatterie ;
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la capacité volumique théorique du lithium est très élevée (2,03 Ah/cm 3) ;
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l'ion Li+, faiblement chargé, occupe par ailleurs un faible volume, ce qui lui permet, dans la plupart des cas, de diffuser rapidement dans un solide (électrolyte solide ou matériaux d'électrode) avec un minimum d'interaction « électrostatique » avec ce dernier.
D'autres matériaux d'électrode négative sont présentés dans le § 2.1.
Le lithium est suffisamment bon conducteur électronique pour ne pas nécessiter le dépôt d'un film métallique collecteur de courant complémentaire. La...
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Microbatterie au lithium : principe et spécificités
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KIM (I.S.), VAUGHEY (J.T.), AUCIELLO (O.) - * - J. Electrochem. Soc., 155, p. A448-A451 (2008).
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(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).
- ...
ANNEXES
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
Demande de brevet US2007/0006807 Magnetic Mask Holder
Brevet US2005/0016458 Apparatus for producing thin-film electrolyte
HAUT DE PAGE3.1 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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