• Ingénierie: une structure 3D à base de microtubes améliore la densité d'énergie d'une batterie sans en augmenter la taille afin de répondre aux besoins en énergie des objets connectés!____¤20

     

    Une étude, dont les résultats intitulés «Atomic Layer Deposition of Functional Layers for on Chip 3D Li-Ion All Solid State Microbattery» ont été publiés dans la revue Advanced Energy Materials, a permis, en concevant une structure 3D à base de microtubes, d'améliorer la densité d'énergie d'une batterie sans en augmenter la taille (limitée à quelques millimètres carrés dans les capteurs nomades). Cette prouesse constitue une première étape avant l'obtention d'une microbatterie complète.

     

    Rappelons tout d'abord qu'à «l'heure des objets connectés, les micro-capteurs intelligents et connectés nécessitent des sources d'énergie embarquées miniatures de grande densité d'énergie». Une première voie pour augmenter la densité d'énergie des micro-batteries extra-plates, dites planaires «passe par l'utilisation de couches de matériaux plus épaisses, ce qui présente une limite évidente».

     

    Une seconde voie, qui a été suivie dans le cadre de l'étude ici présentée, «consiste à usiner un wafer de silicium et fabriquer une structure 3D originale, à base de micro-tubes simples ou doubles» de sorte que la batterie 3D, en «conservant son empreinte surfacique de 1 mm2», développe «une surface spécifique de 50 mm2 : soit un gain de surface d'un facteur 50» («Robustes, ces micro-tubes sont assez larges (de l'ordre du micron) pour être enduits de plusieurs couches de matériaux actifs»).



    La principale difficulté technique, qui était de pouvoir réussir «à déposer les différents matériaux composant la batterie, en couches fines et régulières sur ces structures 3D complexes», a été surmonté «grâce une technologie de pointe, le dépôt par couche atomique (ALD en anglais pour Atomic Layer Deposition)».

     

    Plus précisément, «une couche isolante, un collecteur de courant (en platine), une électrode négative et un électrolyte solide» ont été créées et «les matériaux ont pu épouser parfaitement les formes 3D du socle, sans boucher les structures tubulaires»: en effet, «les différentes analyses et caractérisations (nanotomographie par rayonnement X synchrotron et microscopie électronique à transmission) montrent que les couches successives sont d'excellente qualité, avec une conformité proche de 100 %», que «les interfaces sont propres (pas d'interdiffusion entre les différents éléments chimiques)» et qu'aucun trou, fissure ou craquelure «n'a été détecté».



    Notons que l'électrolyte de la future micro-batterie 3D, le phosphate de lithium, qui «est sous forme solide», combine «une fenêtre de stabilité électrochimique élevée (4,2 V), une haute conductivité ionique et une faible épaisseur (10 à 50 nm) générant une faible résistance surfacique». La prochaine étape sera la mise au point «des films minces de matériaux d'électrode positive par ALD pour créer les premiers prototypes 3D fonctionnels».

     

     


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