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Micro-Sources d'Energie – MISE

MiSE

MicroSource d'Energie

Réalisation d'une électrode par écriture laser

L'objectif est de réaliser des lignes continues d'oxydes tels que le RuO2, MnO2, NiO par écriture laser. Il s'agit de partir de solutions colloïdales contenant le précurseur métallique qui seront déposées par trempage-retrait ou par goutte puis irradié par laser. La puissance du laser fournie localement permet d'oxyder le métal précurseur pour obtenir un oxyde électroactif pouvant servir de matériau actif pour le stockage électrochimique de l'énergie. Il s'agit de déterminer dans un premier temps la concentration optimale en précurseur puis les paramètres clés du laser : puissance et vélocité.

Essais systématiques réalisée sur wafer de silicium recouvert d'une solution colloïdale de différentes concentrations afin de déterminer la conductivité maximale. L'échantillon donnant la meilleure conductivité est ensuite sélectionné pour tests électrochimiques

Après plusieurs expériences, il s'avère que une concentration de 10% en précurseur est un minimum afin d'obtenir des couches de bonne conductivité (0,9 Ohm.cm). Une étude systématique a été menée afin de déterminer la vélocité (vitesse d'avance du laser sur l'échantillon) optimale pour un laser de puissance de 350 mW. Il a été montré qu'une vélocité inférieure à 10um/s est nécessaire à l'obtention de ligne continue (pour le cas de l'oxyde de Ru) ; condition nécessaire l'obtention d'une électrode percolante. Un optimal a été trouvé pour 8um/s, et une étude électrochimique a été menée afin de déterminer la réponse électrochimique de l'«électrode ainsi obtenue. Les premiers résultats sont tout à fait encourageant et montrent que l'électrode de RuO2 obtenue a la réponse électrochimique attendue.

Affiner les paramètres expérimentaux, augmenter la densité de matière active déposée, réaliser une électrode négative de carbone (par électrophorèse ou écriture laser). Il s'agira d'obtenir un système hybride de référence Carbone/RuO2.

Rien pour le moment.

Ce projet vise à étudier et mettre au point des micro-sources de stockage électrochimique de l’énergie intégrables dans des textiles. Deux types de systèmes seront mis au point afin de répondre à différents cahiers des charges : système hybride utilisant une électrode positive d’oxydes de métal (RuO2, NiO et MnO2) et une électrode négative de carbone, permettant d’envisager des énergies spécifiques élevées ; un système symétrique tout carbone, offrant puissance et plage de température étendue. Dans tous les cas, il s’agira de mettre au point un électrolyte optimisé gélifié. La mise en forme des électrodes et la réalisation des microsystèmes seront mises en œuvre par laser. Les performances visées seront de 5 mF cm 2 µm-1 sous 3,5 V, 10 µWh cm-2 µm-1 et/ou 100 µW cm-2 µm-1 (volume du système complet, packaging exclu) stable sur 10 000 cycles, selon qu’il s’agisse d’un système hybride ou symétrique.
Pour mener à bien ce projet, un consortium de 2 laboratoires académiques aux compétences complémentaires (CIRIMAT et LPCNO) prendra en charge les 5 tâches du projet.
Le Laboratoire de Physico-Chimie des Nano Objets de Toulouse est un laboratoire aux compétences reconnues dans le domaine de la synthèse de nano-particules métalliques et de leur intégration dans des micro-systèmes. Le Centre Interuniversitaire de recherche et d’Ingénierie des MATériaux (UMR CNRS n°5085) possède une expertise dans la synthèse et la caractérisation des matériaux pour le stockage électrochimique de l’énergie, et plus particulièrement dans les supercondensateurs.

Les résultats majeurs attendus dans le projet MiSE peuvent se décliner autour de trois axes principaux :
- Mise au point de matériaux nanostructurés et de nano-particules isolées et dispersées (Ni, Mn, Ru par exemple) par une méthode originale développée au LPCNO. La parfaite dispersion de ces particules dans des solutions colloïdales à base de cellulose sans post-agglomération permettra d’exploiter au maximum les capacités des matériaux. Cette technique de synthèse, développée par l’équipe de B. Chaudret, n’a à notre connaissance jamais été appliquée à la préparation de matériaux actifs pour le stockage électrochimique de l’énergie.
- Utilisation d’une technique innovante de gravure laser pour réaliser les micro-dispositifs de stockage de l’énergie. Cette technique, flexible et simple d’utilisation, permettra de réaliser des systèmes de dimensions du mm² à plusieurs cm² ou dizaine de cm². Elle est basée sur la gravure laser des dispersions colloïdales à base de cellulose des métaux, qui permettra de i) dégrader la cellulose pour graver la piste et dans le même temps ii) oxyder les particules métalliques (Ru, Ni, Mn) en oxyde métallique pour former in-situ la matière active.
- Réaliser un micro-supercondensateur flexible en un passage en utilisant la technique de gravure laser, fonctionnant dans une gamme de température de -50°C à +100°C avec une tension unitaire de cellule supérieure à 3,5 V à température ambiante, soit une gamme de performances jamais reportée à ce jour dans les microsystèmes.

Coordinateur du projet

Monsieur Pierre Louis Taberna (Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CIRIMAT Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux
LPCNO LABORATOIRE DE PHYSIQUE ET CHIMIE DE NANO-OBJETS

Aide de l'ANR 271 232 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2014 - 36 Mois

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