Intégration de micro-dispositifs innovants de stockage de l’énergie embarquée – MIDISTOCK

L’étude portera sur l’intégration d’électrolytes innovants, l’influence d’une nano-structuration et de fonctionnalisations de surface de micro-électrodes basées sur différents mécanismes de stockage de charge (capacitif et faradique), et la combinaison de ces différentes approches à l’échelle du micro-dispositif électrochimique (architectures hybrides). La validation d’un prototype fonctionnel dans un environnement système réel sera finalement réalisée.

L’objectif au terme du projet est d’obtenir une famille complète de micro-supercondensateurs répondant aux spécificités de diverses applications, et la réalisation d’un prototype encapsulé possédant une densité d’énergie atteignant 1 J/cm2 sur une fenêtre de potentiel de 2V pouvant tolérer 10 000 cycles de charge/décharge, tout en ayant un courant de fuite acceptable pour une utilisation dans un réseau de capteurs autonomes.

Le développement de cet nouvel axe de recherche à l’interface entre la science des matériaux, l’électrochimie, et les micro- et nano-technologies sera soutenu par les nombreuses potentialités et perspectives de retombées directes dans le nombre croissant de domaines requérant une autonomie énergétique.

• D. Pech, M. Brunet, T.M. Dinh, K. Armstrong, J. Gaudet, D. Guay, Journal of Power Sources Accepted.

• K. Armstrong, T.M. Dinh, D. Pech, M. Brunet, J. Gaudet, D. Guay, MRS Fall Meeting 2012, Boston (USA), 25-30 novembre 2012.

• K. Armstrong, J. Gaudet, M. Brunet, D. Guay, D. Pech, ISEE’Cap11, Poznan (Pologne), 12-16 juin 2011

L’avènement des micro- et nano-systèmes permet d’envisager des multitudes d’applications nouvelles à fort impact sociétal, allant de l’électronique nomade aux réseaux de capteurs autonomes sans fil (application biomédicale, domotique, transport, environnement…).
Le défi majeur pour ces systèmes électroniques communicants est associé à une problématique d’autonomie énergétique. Les récentes avancées technologiques sur les transducteurs miniaturisés permettant de récupérer l’énergie ambiante (solaire, mécanique, thermique) permettraient de conférer à ces systèmes une durée de vie en théorie illimitée. L’énergie est cependant récupérée de manière discontinue, et un stockage de l’énergie électrique est indispensable pour assurer l’autonomie complète de ces systèmes embarqués. Malgré les perspectives ouvertes par les micro-batteries Li et Li-ion, ces dispositifs présentent une durée de vie limitée, imposant une sévère restriction sur l’autonomie du système complet parfois inséré de façon permanente dans les structures ou “abandonné” dans l’environnement. Ils se révèlent par ailleurs inefficaces dans certaines conditions extrêmes comme les basses températures (applications aéronautiques et spatiales) ou pour l’alimentation rapide de certains dispositifs nécessitant des pics de courant pendant des temps très brefs.
Les supercondensateurs (dispositifs de stockage de l’énergie électrique intermédiaires entre les batteries et les condensateurs diélectriques classiques) sont à ce titre beaucoup plus attractifs, car ils possèdent des densités de puissances beaucoup plus élevés, une durée de vie quasiment illimitée (plus de 100 000 cycles charge/décharge par rapport à 500 cycles pour les batteries) et la capacité de fonctionner sur une large gamme de température.
Le projet MIDISTOCK vise à traiter cette problématique du stockage de l’énergie embarqué par le développement d’une famille de micro-supercondensateurs intégrés sur puce, couvrant une large gamme de densités d’énergie et de puissance, et répondant aux satisfactions (gamme de température, stabilité, fenêtre de potentiel, durée de vie...) d’un large éventail d’applications requérant une autonomie énergétique telles que les réseaux de capteurs autonomes sans fil.
L’étude portera sur l’intégration d’électrolytes innovants, l’influence d’une nano-structuration et de fonctionnalisations de surface de micro-électrodes basées sur différents mécanismes de stockage de charge (capacitif et faradique), et la combinaison de ces différentes approches à l’échelle du micro-dispositif électrochimique (architectures hybrides). Des corrélations entre la miniaturisation à la micro- et la nano-échelle et les propriétés du micro-dispositif électrochimique seront réalisées. Des améliorations majeures sont en effet attendues dans un micro-dispositif de fort rapport surface/volume en termes de densité d’énergie et de puissance, et certains phénomènes électrochimiques seront à reconsidérer. L’encapsulation hermétique et la validation d’un prototype fonctionnel dans un environnement système réel d’un nœud de réseau de capteur autonome sans fil seront finalement réalisées.