Micro source d’énergie au glucose en silicium nano poreux fonctionnalisé et catalyseurs abiotiques et bio inspirés – GLUCOPAC

Le projet GLUCOPAC vise à développer une micro sources d’énergie au glucose. Les piles au glucose sont particulièrement prometteuses : le sucre est une source d'énergie naturelle, il est produit par les plantes, et par conséquent il se régénère et on en trouve quasiment partout sur la planète. Sony a récemment démontré le potentiel des piles glucose pour des applications nomades type chargeur de walkman, en fournissant une puissance de 50mW avec un bloc de 4 cm de côté (1.5 mW/cm2). La présence de glucose dans les fluides corporels rend la pile au glucose particulièrement adaptée pour les dispositifs de génération d’énergie implantables.
Le ratio densité d’énergie / taille d’ores et déjà atteint par les micro-batteries est très compétitif cependant, pour certaines applications, la nécessité de recharger ces dernières est problématique. Dans ce contexte, il apparait nécessaire de développer des micro-sources d’énergies fonctionnant avec des combustibles alternatifs.
Les différents systèmes au glucose existants présentent chacun des limitations auxquelles GLUCOPAC se propose de pallier. Les micro-sources au glucose avec membranes présentent une architecture non optimale pour des performances élevées et une intégration simple. Les microsystèmes enzymatiques, au glucose, montrent des sélectivités prometteuses, et des durabilités de l’ordre d’une semaine. Cependant leur durée de vie dépend de la durée de stabilité des enzymes, molécules fragile qui doivent être manipulées et fonctionner dans des conditions très spécifiques.
Le projet GLUCOPAC vise à réaliser des micro-sources d’énergie durables (durée de fonctionnement>6000h), performantes (P>5mW/cm2), génériques, avec des procédés de micro/nano fabrication sur substrat 200mm. Pour satisfaire à ses objectifs, le projet propose une architecture innovante basée sur l’utilisation d’une membrane en silicium nano poreux fonctionnalisé et non déformable. Cette membrane sert de conducteur ionique et de support mécanique à l’empilement des différentes couches actives. Ces dernières, constituées de nano catalyseurs abiotiques et bio-inspirés, seront intégrées sur substrats silicium 200mm en utilisant des techniques d’impression. Dans l’optique de développer un procédé de fabrication avec un impact environnemental minimal, les choix technologiques seront guidés par une analyse de l’impact écologique des procédés au fil du projet.
Le programme de travail de GLUCOPAC s’articule en trois phases. De M0 à M12, le portage du procédé de réalisation du support Si nano poreux 100mm permet de passer sur substrats 200mm. Parallèlement, les couches catalytiques nano structurées sont développées. De M12 à M30, le CEA et l’UJF collaborent à la réalisation de l’empilement des couches actives avec des techniques de dépôt de type jet d’encre. RECUPYL analyse les procédés proposés. Les tests de puissance et de durée de vie réalisés par le CEA permettront de définir l’empilement optimal. Ces résultats expérimentaux permettront d’initier la phase de prospection industrielle du plan d’exploitation. De M30 à M36, les analyses de défaillances permettront d’optimiser la puissance et la durée de vie de la technologie. À M36, un résultat de durabilité de 6000 h de fonctionnement est attendu avec des performances de 5mW/cm2 pour des environnements de test avec séparation de l’oxygène et du glucose et 100µW/cm2 pour des environnements de test de type physiologique (sous cutané). Parallèlement, le plan de valorisation industriel sera défini.
Les résultats majeurs attendus du projet sont :
- Une micro-source d’énergie hybride générique de nombreuses applications, présentant un rapport puissance/volume élevé
- Un procédé de réalisation éco-conçu compatible avec une production en volume de la micro source.
- Une rupture en termes d’intégration de nanomatériaux bio inspirés sur technologie silicium
- Un plan de valorisation industriel incluant une stratégie d’entrée sur le marché.