Microbatteries Li-ions hybrides – MICROLIONH

L’essor spectaculaire de l’électronique nomade a engendré une course à la miniaturisation de nouvelles sources d’énergie autonomes. Ainsi, la fabrication de microbatteries portables et rechargeables, comme les microbatteries lithium-ion tout solide, permet de rendre autonome de nombreux dispositifs tels que cartes à puces, radio-étiquettes intelligentes, capteurs, dispositifs biomédicaux, etc… Cependant, les microbatteries actuelles constituées d’électrodes se présentant sous forme de films minces ne satisfont pas toutes les exigences de ces applications potentielles et doivent rivaliser avec les traditionnelles piles boutons. Il faut donc envisager le recours à de nouveaux matériaux et procédés permettant d’améliorer les performances en terme d’énergie, de puissance, de longévité et de coût.

Ce projet de recherche consiste à joindre les efforts de deux équipes du Laboratoire Chimie Provence pour fabriquer une nouvelle microbatterie hybride fonctionnelle. Cette micro-source d’énergie sera constituée d’une anode 3D nanostructurée et d’un électrolyte copolymère qui seront élaborés par de simples procédés électrochimiques.

Tout d’abord, nous proposons de remplacer les conventionnelles électrodes négatives se présentant sous forme de couches minces par un film constitué de nanotubes de TiO2 auto-organisés (ntTiO2). Cette géométrie spéciale permet d’améliorer de façon significative les performances électrochimiques des microbatteries. En effet, la morphologie nanotubulaire peut i) offrir un très grand nombre de sites pour l’insertion d’ions Li ii) supporter les variations de volume de l’anode associées aux réactions de charge et décharge iii) améliorer distribution des charges dans la couche. Les couches minces de ntTiO2 seront ensuite utilisées comme matrices hôtes pour des électrolytes copolymères déposés par voie électrochimique. Au-delà de sa simplicité, l’électrosynthèse permet de i) obtenir des polymères chimiquement purs et adhérents ii) contrôler une épaisseur de couche inférieure à 10 µm iii) augmenter l’interface électrode/électrolyte grâce au remplissage des nanotubes. Aujourd’hui, les électrolytes solides pour microbatteries sont déposés par des techniques de pulvérisation. Ces méthodes ne sont pas adaptées pour assurer le remplissage complet d’électrodes 3D nanostructurées. Une des percées de ce travail sera donc d’établir une interface stable entre les ntTiO2 et les électrolytes copolymères.

Méthodologie : étudier la fabrication des films de nTiO2 par une voie électrochimique directe dans le but de contrôler les propriétés chimiques ainsi que le diamètre et la longueur des nanotubes. Nous exploiterons le phénomène d’auto-organisation pour augmenter la surface active de l’électrode. 2) Utiliser les films de nTiO2 comme matrices hôtes pour électrodéposer des copolymères tels que du poly(méthyl méthacrylate) (PMMA) ou du polystyrène comportant des groupements d’oxyde de polyéthylène. L’approche électrochimique est une technique particulièrement puissante pour déposer des couches ultra minces d’électrolytes qui préviendront la croissance de dendrites de Li tout en supportant les variations de volume de l’électrode occasionnées lors du cyclage. 3) fabriquer des systèmes Li/COP/ntTiO2 et tester les performances électrochimiques (énergie, puissance, capacité de cyclage et auto-décharge).

Au-delà d’une meilleure compréhension des mécanismes impliqués lors de la formation des nanotubes de TiO2 et lors de la nucléation et de la croissance des copolymères, la fabrication d’une microbatterie hybride présentée dans ce projet est techniquement et économiquement viable. Ce projet ouvrira aussi des perspectives intéressantes pour la fabrication de systèmes plus complexes et pour la conception de microbatteries flexibles ou réalisées sur puce.