Electrodes composites : Nanostructures silicium-Diélectrique nanométrique-Polymère pour le stockage électrochimique de l’énergie flexibles-tout solides – ECOPE

Le projet ECoPE s’inscrit dans le domaine du stockage de l’énergie pour des systèmes flexibles (tels les textiles intelligents) et tout solide, en se basant sur le développement de nouveaux matériaux d’électrodes nanostructurées et d’électrolytes solides polymères. Les condensateurs électrochimiques (ou supercondensateurs) sont essentiels au développement de futurs dispositifs flexibles car ils présentent une densité de puissance élevée et une durée de vie prolongée ainsi qu’un aspect sécurité indéniable. Ils souffrent cependant encore de deux faiblesses notables : leur densité d’énergie doit encore être améliorée ainsi que leurs performances en conditions extrêmes. L'objectif du projet ECoPe est de lever ces verrous en réalisant des microdispositifs de stockage électrochimique de l’énergie performants à base de nanocomposites (Nanostructures silicium-Diélectrique nanométrique-Polymère conducteur ou oxyde de métaux de transition) et d’électrolyte tout solide. Ces micro-dispositifs innovants tout solides fonctionneront ainsi sur une grande plage de température (-40°C?+120°C) et présenteront une durée de vie et des performances élevées.
Deux types de dispositifs seront réalisés durant le projet ECoPE: i) des micro-supercondensateur à deux électrodes en vis-à-vis (type pile-bouton) et ii) des micro-supercondensateurs avec des électrodes flexibles constituées de nanostructures composites "nanostructures silicium-diélectriques nanométriques-polymères conducteurs électroniques/oxyde de métaux de transitions. Les nanostructures de silicium seront des nanofils (Si nanowires, SiNWs) et des nano-arbres (Si nanotrees, SiNTs) fortement dopées. Dans le but d’augmenter les performances intrinsèques de ces composants, on élaborera des électrodes composites sur la base des nanostructures silicium, par dépôt conforme nanométrique d’un diélectrique, puis le dépôt d’un polymère conducteur électronique.
Pour la réalisation des électrodes flexibles on étudiera différentes méthodes : i) microfiltration ii) pelage du composite. Les dépôts ALD (Atomic Layer Deposition) de diélectriques nanométriques de type Al2O3 ou HFO2 seront effectués afin augmenter la stabilité, la cyclabilité et la fenêtre électrochimique des dispositifs. Le développement d’électrolytes solides polymères (ESPs), c’est-à-dire des conducteurs ioniques flexibles à base d’architectures macromoléculaires poly(siloxane)s (électro)chimiquement stables seront élaborés. Les performances seront caractérisées afin de vérifier qu’ils répondent aux critères de conductivité ionique, de tenue en température et d’imprégnation des électrodes en lien avec un cahier des charges préalablement défini compatible avec les applications de microélectronique et leurs procédés de fabrication.
Le consortium du projet ECoPE associe trois partenaires académiques internationalement reconnus dans leurs domaines d’expertises, chacun apportant les compétences complémentaires nécessaires pour atteindre les objectifs scientifiques et techniques du projet :
Les caractéristiques physico-chimiques et électrochimiques (incluant l'imagerie SEM/TEM, FTIR, spectroscopie Raman, mesures BET, microbalance électrochimique à quartz, spectroélectrochimie, voltamétrie cyclique, cyclage galvanostatique et spectroscopie d'impédance électrochimique, la microscopie électrochimique en boite à gant) seront réalisées. Enfin, des tests en conditions extrêmes seront effectués sur les composants. Les performances énergétiques, la durée de vie du cycle et la plage de température de fonctionnement des dispositifs seront particulièrement étudiées.