Un nouveau design 3D pour des batteries embarquées de haute performance
L'industrie électronique se caractérise aujourd'hui par des appareils de plus en plus petits et de plus en plus légers. Alors que la réduction d'échelle des composants électroniques a créé un domaine de recherche à part entière (la microélectronique), l'absence d'une diminution de taille équivalente des systèmes d'alimentation électrique embarqués freine dans de nombreux secteurs, le développement de nouveaux produits. Compte tenu du nombre croissant de systèmes microélectromécaniques (MEMS) en développement, le marché n'attend plus qu'un avancement rapide des systèmes qui leur fourniront une puissance électrique adaptée. Les chercheurs ont par conséquent développé des solutions pour éliminer ce goulot d'étranglement dans le cadre du projet SUPERLION (Superior energy and power density Li-ion microbatteries) financé par l'UE. Pour résoudre le problème, les nanomatériaux, avec leurs propriétés fonctionnelles extraordinaires associées à leur très petite échelle, nous offrent de nouvelles opportunités. L'équipe SUPERLION a exploré la synthèse et la fabrication de nouveaux matériaux nanostructurés pour les batteries et composants de microbatteries. Ils ont par ailleurs étudié et mis en place des techniques connexes permettant d'améliorer les performances des batteries lithium-ion (Li-ion) classiques. La structure bidimensionnelle stratifiée de la plupart des batteries conventionnelles débouche sur un compromis entre l'énergie et la densité de puissance. Les techniques de fabrication des micro et nanomatériaux permettent maintenant d'élargir l'approche du film mince en trois dimensions, où des chemins de diffusion très courts associés à une surface d'échange élevée permettent d'accroître simultanément la densité d'énergie et la puissance. Le potentiel des microbatteries 3D pour la densité d'énergie par zone d'empreinte est ainsi supérieur d'un ordre de grandeur à celui de batteries 2D à couches minces comparables. Le développement de l'architecture des batteries 3D dépend de la formation d'un film mince enrobant qui bloque les électrons mais reste conducteur aux ions Lithium. Les chercheurs ont utilisé la technique d'électrodéposition, très efficace pour la formation de film à électrolytes polymères à couche mince sur des surfaces microstructurées. L'électrodéposition d'élastomères à base d'un polymère de diacrylate de polyéthylène glycol a permis la création d'électrolytes possédant une conductivité ionique modulable. Trois types de cellules d'essais ont été choisies pour l'évaluation: une batterie lithium fer phosphate (LiFePO4), une batterie plate souple et deux batteries rechargeables à boutons ou pièce lithium. Les caractéristiques de densité énergétique et de taille se sont révélées particulièrement prometteuses. Les travaux de SUPERLION ont permis d'obtenir des progrès remarquables dans le développement de microbatteries 3D rechargeables avec un impact direct sur de nombreux dispositifs microélectroniques comme les réseaux de micro capteurs, les cartes d'identification, les stimulateurs ou défibrillateurs cardiaques ou les systèmes de diffusion des médicaments. L'optimisation de ces travaux devrait faciliter la commercialisation de telles batteries.
Mots‑clés
Densité de puissance, microbatteries, MEMS, dispositifs médicaux, SUPERLION, Li-ion
