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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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2. Matériaux
2.1 Électrode négative
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La présence d'un électrolyte solide adapté permet l'utilisation de lithium métallique comme matériau d'électrode négative. Dans ce cas, sa cyclabilité dépasse aisément plusieurs milliers de cycles. Il offre l'avantage de pouvoir être rapidement et facilement déposé par évaporation thermique et d'être conducteur électronique. Sa capacité spécifique théorique est de 206 μAh · cm –2 · μm–1 ; un large excès de lithium est généralement utilisé. Pour ces raisons, c'est jusqu'à présent le matériau le plus couramment employé. Dans l'optique d'une production industrielle, et de la plupart des applications visées, il n'est cependant pas sans inconvénient : il est déposé par une technique différente (évaporation) de celle utilisée pour la réalisation des autres couches de l'empilement (pulvérisation cathodique), il est particulièrement réactif, il implique que la microbatterie soit réalisée à l'état chargé rendant ainsi les étapes ultérieures de réalisation plus complexes pour éviter tout court-circuit, et enfin sa basse température de fusion (181 oC) et sa très grande réactivité le rendent peu compatible avec les opérations de soudure classiques de la microélectronique ( solder-reflow).
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Différents matériaux alternatifs sont donc étudiés, conduisant à des microbatteries en configuration lithium-ion, désormais classiques pour les accumulateurs conventionnels. Ils ont en commun d'être capables d'insérer et de désinsérer les ions lithium à bas potentiel (typiquement < 1 V/Li +/Li). La tension nominale de la microbatterie s'en trouve alors réduite d'autant. La réalisation de carbones de type graphite ou coke utilisés dans les accumulateurs conventionnels, n'a pu être transposée en film mince. Les tapis de nanotubes de carbones multi-parois (MWNT Multi Walls Nano Tube) réalisés par CVD ne semblent pas, quant à eux, adaptés au dépôt d'un électrolyte solide.
La plupart des composés alternatifs utilisés mettent en jeu une étape d'alliage électrochimique avec les éléments Al, Si, Ge, Sn voire Ag lors de l'insertion du lithium. Les capacités spécifiques théoriquement accessibles...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(3) - NEUDECKER (B.J.), ZUHR (R.A.), BATES (J.B.) - * - J. Power Sources, 81-82, p. 27-32 (1999).
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(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).
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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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