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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.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 1998 par Jean-Paul TERRAT, Michel MARTIN, Alain LEVASSEUR, Georges MEUNIER, Philippe VINATIER
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Caractérisations des couches minces et des microbatteries
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4. Technologies de mise en œuvre
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4.1 Réalisation par PVD
L'abréviation PVD (Physical Vapor Deposition) désigne une famille de techniques de dépôt de couches minces par voie physique. Elle comprend les techniques faisant appel à la pulvérisation ionique et celles employant l'évaporation thermique . Presque toutes les techniques PVD sont mises à contribution pour réaliser les microbatteries. La séquence de réalisation en laboratoire d'une microbatterie par PVD est typiquement comme suit :
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préparation du substrat approprié (nettoyage hors de la machine de dépôt, nettoyage in situ, chauffage) ;
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mise en place du masque « collecteurs électriques » dans une boîte à gants sous argon ;
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transfert et dépôt dans la première enceinte par pulvérisation cathodique magnétron DC d'une couche mince métallique d'une fraction de micromètre (Ti, W, Cr, Pt…) ;
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dépose du masque collecteur et mise en place du masque électrode positive dans la boîte à gants ;
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transfert et dépôt dans la deuxième enceinte en mode réactif d'une couche mince de quelques micromètres de TiOS par pulvérisation DC pulsé ou haute fréquence magnétron d'une cible Titane sous pression partielle d'H 2S ;
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dépose du masque d'électrode positive et mise en place du masque « électrolyte » ;
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transfert et dépôt par pulvérisation magnétron haute fréquence d'une cible de Li 3PO 4 sous azote d'une couche mince de LiPON de 1 μm ;dépose du masque électrolyte et mise en place du masque d'électrode négative ;transfert et dépôt par évaporation par effet Joule d'une couche mince de lithium de quelques micromètres d'épaisseur.
La batterie peut alors être encapsulée.
Dans le cas de réalisation industrielle, les systèmes de masquage et de transfert sont automatisés.
HAUT DE PAGE4.2 Réalisation par CVD
La technique de dépôt chimique en phase vapeur de couches minces (CVD) est...
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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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