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Article de référence | Réf : RE180 v1

État de l’art
Nouveaux types d’électrodes pour les microsupercondensateurs

Auteur(s) : David PECH, Christophe LETHIEN, Thierry BROUSSE

Date de publication : 10 févr. 2017

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RÉSUMÉ

Les microsupercondensateurs sont des microdispositifs de stockage réversible de l’énergie électrique constituant une alternative intéressante aux microbatteries en raison de leur puissance élevée et de leur durée de vie importante. La faible quantité d’énergie qu’ils peuvent emmagasiner reste cependant un point critique au déploiement de ces composants dans les microsystèmes embarqués. Cet article traite des nouveaux types d’électrodes de microsupercondensateurs, des filières technologiques pour les intégrer au sein du microdispositif et des performances de ces électrodes. Il est notamment question de l’utilisation d’électrodes tridimensionnelles pour accroître leur densité d’énergie surfacique.

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ABSTRACT

New types of electrodes for high-performance micro-supercapacitors

The production of high-energy micro-supercapacitors is currently a major challenge, but applications requiring such miniaturized energy storage devices are continuously and ineluctably emerging. Their high power and extended lifetime are of interest as an addition to or replacement of micro-batteries in embedded microsystems. New types of electrodes for micro-supercapacitors are reviewed in this article, with a focus on fabrication methods and the performance of devices using them. A 3D paradigm shift in micro-supercapacitor design is also discussed that improves their energy performance while maintaining a reduced areal energy density.

Auteur(s)

  • David PECH : Chargé de recherche LAAS-CNRS, université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France

  • Christophe LETHIEN : Maître de conférences, HDR IEMN, Villeneuve-d’Ascq, France

  • Thierry BROUSSE : Professeur IMN, UMR CNRS, université de Nantes, France

INTRODUCTION

L’autonomie énergétique de l’électronique nomade repose essentiellement sur les batteries dont les performances n’ont cessé d’augmenter au cours des dernières décennies. Pour les produits grand public (smartphones, tablettes, appareils photo, baladeurs numériques...), les principaux inconvénients restants sont le poids, la fréquence de recharge et la durée de vie.

Un autre domaine d’application où l’autonomie énergétique est beaucoup plus critique est celui des réseaux de capteurs autonomes où l’on cherche à déployer des microcapteurs et l’électronique associée dans l’environnement. Ces capteurs sont placés en réseau et doivent être communicants : ils peuvent être utilisés dans une large gamme de domaines allant de la santé (dispositifs implantés), des bâtiments intelligents (surveillance des structures), de la radio-identification (marqueurs RFID), de l’automobile ou encore de la maintenance prédictive (pour les machines et infrastructures). À l’heure actuelle, la durée de vie de ces réseaux de capteurs est limitée par celle des batteries servant à les alimenter, ce qui pose un problème dans les applications nécessitant une mise en place d’un réseau permanent impliquant un nombre important de capteurs. L’entretien du réseau devient alors économiquement et logistiquement impraticable. En effet, en dépit de l’amélioration continue de la capacité des microbatteries et de la réduction de la consommation électrique des composants électroniques, l’énergie embarquée s’épuise soit parce qu’elle a été consommée, soit par autodécharge, au mieux au bout de quelques années.

La question de l’énergie est alors centrale dans ces réseaux. Une solution pertinente consiste à récupérer l’énergie disponible dans l’environnement des capteurs (vibrations, chaleur, lumière) pour les alimenter. Cela permettrait d’allonger de façon significative la durée de vie de la batterie, voire de l’éliminer complètement. L’énergie environnante étant récupérée de manière intermittente, un dispositif de stockage de l’énergie électrique reste cependant nécessaire pour assurer l’autonomie énergétique de chaque élément du réseau.

Malgré une densité d’énergie plus faible que les batteries, les supercondensateurs (ou condensateurs électrochimiques) sont à ce titre très attractifs car ils possèdent une durée de vie quasiment illimitée. Des supercondensateurs intégrables au niveau du système ou au niveau de la puce comme composants miniaturisés permettraient donc des progrès majeurs dans le développement des systèmes embarqués et autonomes en énergie. Cette alternative aux microbatteries conduit actuellement à l’essor des microsupercondensateurs.

S’ils font l’objet d’un nombre croissant de travaux depuis 2006, les microsupercondensateurs n’ont pas encore trouvé d’applications concrètes. En effet, leur faible densité d’énergie surfacique ne leur permet pas aujourd’hui d’alimenter durablement des capteurs ou tout autre composant électronique. Afin d’accroître leurs performances énergétiques pour une empreinte surfacique limitée dans le circuit électronique, l’électrode du microsupercondensateur doit contenir une quantité importante de matériau actif par unité de surface. De nouveaux types d’électrodes, basées sur des architectures tridimensionnelles, ont permis à des microsupercondensateurs de se rapprocher des résultats des microbatteries, sans pour autant perdre leurs avantages en termes de cyclabilité et de densité de puissance.

Cet article dresse un état de l’art et une analyse critique des performances des électrodes destinées aux microsupercondensateurs pour les réseaux de capteurs communicants.

Points clés

Domaine : Stockage électrochimique de l’énergie.

Degré de diffusion de la technologie : Émergence.

Technologies impliquées : Micro et nanotechnologie.

Domaines d’application : Électronique nomade, réseaux de capteurs autonomes, systèmes embarqués, marqueurs RFID.

Principaux acteurs français : LAAS-CNRS, Toulouse ; IEMN, Villeneuve d’Ascq ; IMN, Nantes ; CIRIMAT, Toulouse ; CEA, Grenoble.

Autres acteurs dans le monde : UCLA, États-Unis ; JME Inc., États-Unis ; Drexel University, États-Unis ; Rice University, États-Unis ; Florida International University, États-Unis ; Institut Max Planck, Allemagne ; POSTECH, République de Corée ; Nanyang Technological University, Singapour ; Tsinghua University, Chine.

Contact : [email protected] ; [email protected] ; [email protected]

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KEYWORDS

micro-supercapacitor   |   three-dimensional electrode   |   embedded micro-system

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re180


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1. État de l’art

Une amélioration des performances des microsupercondensateurs permettrait de lever l’un des principaux verrous au développement de systèmes embarqués autonomes en énergie. Des informations plus détaillées sur les applications des microsupercondensateurs peuvent être trouvées dans le dossier [RE 210]. Le matériau d’électrode jouant un rôle primordial dans les performances de ces microdispositifs, différents matériaux innovants ont été intégrés et évalués comme électrodes de microsupercondensateurs .

1.1 Matériaux pour électrodes et électrolytes

Les microsupercondensateurs utilisant les mêmes matériaux actifs que les supercondensateurs macroscopiques, ils bénéficient des avancées de la recherche dans le domaine de la science des matériaux destinés au stockage électrochimique de l’énergie de manière plus générale.

Bien qu’il n’existe pas de nomenclature officielle, l’usage du terme « microsupercondensateur » – par analogie avec les « microbatteries » – s’est progressivement imposé dans la communauté scientifique pour désigner un supercondensateur miniaturisé conçu pour alimenter des applications en microélectronique.

Par ailleurs, l’utilisation de certains matériaux qui ne sont pas retenus sous forme d’électrode de supercondensateur macroscopique (en raison de leur coût et des masses importantes requises de matériaux) peut s’avérer pertinente pour des microsupercondensateurs car la faible quantité de matériaux impliquée ne représente...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SIMON (P.), GOGOTSI (Y.) -   Materials for electrochemical capacitors.  -  Nature Mater., 7, p.845-854 (2008).

  • (2) - PECH (D.), BRUNET (M.), TABERNA (P.-L.), SIMON (P.), FABRE (N.), MESNILGRENTE (F.), CONEDERA (V.), DUROU (H.) -   Elaboration of a microstructured inkjet-printed carbon electrochemical capacitor.  -  J. Power Sources, 195, p. 1266-1269 (2010).

  • (3) - GOGOTSI (Y.), NIKITIN (A.), YE (H.), ZHOU (W.), FISHER (J.E.), YI (B.), FOLEY (H.C.), BARSOUM (M.W.) -   Nanoporous carbide-derived carbon with tunable pore size.  -  Nature Mater., 2, p. 591-594 (2003).

  • (4) - CHMIOLA (J.), YUSHIN (G.), GOGOTSI (Y.), PORTET (C.), SIMON (P.), TABERNA (P.L.) -   Anomalous increase in carbon capacitance at pore sizes less than 1 nanometer.  -  Science, 313, p. 1760-1763 (2006).

  • (5) - CHMIOLA (J.), LARGEOT (C.), TABERNA (P.L.), SIMON (P.), GOGOTSI (Y.) -   Monolithic carbide-derived carbon films for micro-supercapacitors.  -  Science, 328, p. 480-483 (2010).

  • ...

1 Événements

ISEE’Cap : International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors, a lieu tous les deux ans en Europe (années impaires).

ICAC : International Conference on Advanced Capacitors, a lieu au Japon.

ECS : ElectroChemical Society Meeting, a lieu tous les ans en Amérique du Nord.

ISE : Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, a lieu tous les ans.

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2 Annuaire

HAUT DE PAGE

2.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)

Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes, LAAS-CNRS http://www.laas.fr

Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie, IEMN http://www.iemn.fr

Institut des matériaux Jean Rouxel, IMN http://www.cnrs-imn.fr

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2.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Réseau sur le stockage...

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