Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs

Des micro-supercondensateurs pour alimenter l’Internet des Objets

Des micro-supercondensateurs pour alimenter l’Internet des Objets
Propriétés pseudocapacitives notables et facilité de production à grande échelle. Les films de nitrure de vanadium possèdent toutes les qualités requises pour ouvrir la voie à une production de masse de micro-dispositifs de stockage de l’énergie

Cette publication a fait l'objet d'une communication de la part de l'INSIS.

L’Internet des Objets (IoT) est l’une des technologies révolutionnaires du XXIe siècle. Elle a pour ambition de créer un écosystème d’objets ou de capteurs connectés afin d’améliorer notre vie quotidienne dans des domaines aussi variés que la santé, l’environnement ou encore les transports. La miniaturisation de l’IoT entrainera de fait la réduction de la taille des sources de stockage d’énergie qui auront la taille d’un grain de riz. La question de l’alimentation en énergie de ces micro-dispositifs nomades va donc vite se poser et des sources de stockage d’énergie miniaturisées et performantes sont donc nécessaires pour en assurer l’autonomie.

Dans ce contexte, la fabrication de batteries ou supercondensateurs miniatures (appelés micro-batteries ou micro-supercondensateurs) performants est la clé pour lever ce verrou technologique.  Le but est de mettre au point des micro-dispositifs de stockage de l’énergie efficaces tout en s’assurant qu’ils puissent être produits à l’échelle industrielle, dans l’idéal en s’appuyant sur des techniques déjà en place dans le secteur de la microélectronique.

Preuve de l’importance de ce domaine de recherche, le CNRS a fait de la micro-énergie, en général, et des micro-supercondensateurs / micro-batteries, en particulier, une de ses orientations thématiques prioritaires.

Dans ce contexte, une équipe de chercheurs français menée par l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) a mis au point et a décrypté le fonctionnement de micro-supercondensateurs pseudocapacitifs à base de films de nitrure de vanadium. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Energy & Environmental Science.

De l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle

Synthétisés par pulvérisation cathodique magnétron – une technique très répandue dans le domaine de la microélectronique - le nitrure de vanadium présente des capacités surfacique et volumique élevées respectivement 1.2 F.cm-2 et plus de 700 F.cm-3(~ 4 fois la capacité volumique d’une électrode de carbone poreux) ainsi qu’une très bonne tenue en cyclage (> 50 000 cycles démontrés). Les excellentes propriétés électriques et électrochimiques du nitrure de vanadium ont amené les chercheurs à étudier en profondeur ce matériau bi-fonctionnel et notamment le mécanisme de stockage de charges. Cette étude a notamment été effectuée en utilisant un large éventail de méthodes de caractérisation rendu possible par des collaborations avec différents laboratoires français (l’Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS), l’Institut des Matériaux de Nantes (IMN), la fédération Chevreul et le synchrotron Soleil) pour la plupart membre du RS2E, le Réseau français sur le stockage électrochimique de l’énergie.

Étude du mécanisme de stockage de charges dans le nitrure de vanadium intégré comme électrode de micro-supercondensateur

La fabrication de ces micro-supercondensateurs pseudocapacitifs performants peut en outre être transposée à l’échelle industrielle. Elle est en effet compatible avec les méthodes de dépôt utilisées en microélectronique. Le travail des chercheurs a notamment permis de fournir les éléments de compréhension du mécanisme de stockage mis en jeu dans ces micro-supercondensateurs. Les paramètres de dépôt des films de nitrure de vanadium pourront donc être modulés afin d’accroître au maximum les performances des micro-supercondensateurs ainsi produits.

Propriétés pseudocapacitives notables et facilité de production à grande échelle. Les films de nitrure de vanadium possèdent toutes les qualités requises pour ouvrir la voie à une production de masse de micro-dispositifs de stockage de l’énergie capables d‘alimenter l’Internet des Objets de demain.  

 

Références :

Novel insights into the charge storage mechanism in pseudocapacitive vanadium nitride thick films for high-performance on-chip micro-supercapacitors

Kevin Robert et al.

Energy & Environmental Science, 05/03/20, DOI : 10.1039/C9EE03787J

Contacts : Christophe Lethien, christophe.lethien@univ-lille.fr / Thierry Brousse, thierry.brousse@univ-nantes.fr