Micro-supercondensateur sur puce électronique performant et industrialisable

Structure du micro-supercondensateur

Supercondensateur (CDC) fixé sur du Silicium grâce à un support TiC
© A. Demortière/LRCS

Un groupe de chercheurs français mené par Patrice Simon (CIRIMAT, CNRS/Université de Toulouse III - Paul Sabatier/INP Toulouse), lauréat 2015 de la médaille d’argent du CNRS, propose une façon de stocker l’énergie directement sur les puces électroniques.

Les chercheurs publient ce 12 février 2016 dans Science une méthode de fabrication compatible avec celles de l’industrie. Les performances publiées sont les meilleures connues à ce jour.

Maxi-compétition pour les micro-supercondensateurs

Depuis 5 ans, et face à l’intérêt d’inclure des micro-dispositifs de stockage de l’énergie directement sur des puces électroniques, la bataille fait rage dans les laboratoires. De nombreuses voies de production ont été étudiées. Certaines utilisent des "wet processing routes", des techniques qui ne sont pas complètement compatibles avec les procédés utilisés dans les usines de semi-conducteurs, ce qui bloque leur utilisation.

D'autres voies ont d’autres contraintes. La très médiatisée gravure par laser du groupe de Kaner (cf. Supercondensateur graphène LSG créé avec un graveur DVD) a des bonnes performances en puissance mais pas en énergie. De même, le supercondensateur en silicium enveloppé de graphène réalisé par des chercheurs de l'Université Vanderbilt offre in fine des performances très moyennes (cf. Supercondensateur silicium-graphène : pas si performant que ça).

Les chercheurs français associés à un chercheur russo-américain proposent une autre solution plus performante et aisément industrialisable dans un article publié dans la revue Science. Le dispositif de stockage développé est un supercondensateur miniature.

Le micro-supercondensateur peut être créé et intégré directement sur les puces électroniques en utilisant des procédés de production actuels. Pour obtenir une très bonne adhésion sur la puce électronique, les chercheurs utilisent une couche "support" de carbure de titane (TiC) placée entre le substrat de silicium de la puce et le Carbone Dérivé de Carbure (CDC) du supercondensateur.

Vue en coupe du micro-supercondensateur

Vue en coupe du dispositif : supercondensateur (CDC), support et collecteur de courant (TiC) et wafer de silicium
© A. Demortière/LRCS

Pour réaliser leurs micro-supercondensateurs, les chercheurs ont déposé une couche de carbure de titane (TiC) sur du dioxyde de silicium. Après chloration, une grande partie du carbure de titane est converti en carbones dérivés de carbure de titane (CDC), une structure carbonée à porosité contrôlée idéale pour obtenir des supercondensateurs performants.

Supercondensateur vue de dessus

Supercondensateur vue de dessus. Pour optimiser l'espace les deux électrodes sont interdigitées. © CIRIMAT

Wafer de silicium contenant 40 micro-supercondensateurs

Wafer de silicium contenant 40 micro-supercondensateurs.
© C. Lethien/IEMN


Les micro-supercondensateurs ainsi créés ont une très bonne uniformité structurale.

Les performances publiées sont les meilleures connues à ce jour

Avec leur concept et l'utilisation de Carbone Dérivé de Carbure (CDC) à la place du traditionnel charbon actif, les chercheurs obtiennent le meilleur rapport énergie surfacique / puissance surfacique pour un micro-supercondensateur à base de matériaux carbonés (cf. Grand dossier sur les supercondensateurs - Les carbones dérivés de carbures métalliques).

Mieux, si la réaction de synthèse est poussée à son terme, toute la couche "support" de TiC est transformée en supercondensateur, qui se décolle alors du substrat de silicium. Ce film auto-supporté, mécaniquement stable, et micrométrique est potentiellement utilisable pour des applications flexibles ou "portables" (wearable).

Le film de micro-supercondensateur ainsi créé atteint une capacité de 410 farads par centimètre cube / 200 millifarads par centimètre carré dans un électrolyte aqueux et 170 farads par centimètre cube / 85 millifarads par centimètre carré dans un électrolyte organique.

ragone surfacique supercondensateur

Ragone d'énergie surfacique. © Science

Le Ragone d'énergie surfacique ci-dessus et le Ragone d'énergie volumique ci-dessous montrent les performances de différents micro-systèmes utilisant des matériaux carbonés et pseudocapacitifs en configuration interdigitée ou en plaques parallèles (avec astérisques). AC = Activated Carbon; LSG = Laser Scribed Graphene; OLC = Onions Like Carbon; PANI = Polyaniline; PVA = Poly Vinylic Acetate; rGO = reduced graphene oxide; PC = Polypropylene; AN = Acetonitrile.
"This work (a)" = 2 M EMI,BF4 in AN, 4.1µm thick TiC film, two parallel plates device.
"This work (b)" = 2 M EMI,BF4 in AN, 2.2µm thick TiC film, two parallel plates device.
"This work (c)" = 1 M H2SO4 (aqueous), 1.4µm thick, interdigitated microdevice

ragone volumique supercondensateur

Ragone d'énergie volumique. © Science

Des micros-supercondensateurs adaptés à une industrie de la miniaturisation

Les supercondensateurs ont des qualités qui sont de plus en plus appréciées par l'industrie. On commence ainsi à voir des trains, des bus ou des bateaux équipés de gros modules de supercondensateurs (cf. Applications des supercondensateurs). Mais la capacité des supercondensateurs à se fondre dans n'importe quel format intéresse également l'industrie de la microélectronique. En effet, celle-ci maîtrise de mieux en mieux la miniaturisation électronique et un certain nombre de nouveaux types de matériaux qui permettent de fabriquer aujourd'hui toutes sortes d'objets connectés, ainsi que des capteurs miniatures et des textiles intelligents.

Dans ce cadre d'utilisation, les supercondensateurs sont appréciés car ils ont une bien meilleure longévité (les supercondensateurs classiques supportent 1 million de cycles de recharge) et sont plus stables que les batteries car ils n'utilisent pas de réactions chimiques. Les réactions chimiques des batteries restent complexes et ont un comportement parfois aléatoire (certaines batteries peuvent s'emballer et prendre feu suite à une réaction chimique inattendue). Les micro-supercondensateurs utilisant un électrolyte ininflammable sont plus fiables, plus sécurisants et plus durables que les micros-batteries. Ils devraient donc s'imposer dans les domaines sensibles et dans l'électronique portable (wearable).

Au-delà de l’application pour le stockage de l’énergie, ces matériaux offrent des perspectives pour la mise au point de revêtements élastiques à faible coefficient de frottement ou encore pour la réalisation de membranes pour la filtration de gaz.

Les laboratoires impliqués dans cette aventure rassemblent le Centre inter-universitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (Cirimat, CNRS/Université de Toulouse III - Paul Sabatier/INP Toulouse) et le Laboratoire de physique et chimie de nano-objets (LPCNO, CNRS/INSA Toulouse/Université Toulouse III - 3 Paul Sabatier) , l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis/ISEN Lille/Ecole Centrale de Lille) et le Laboratoire réactivité et chimie des solides (LRCS, CNRS/Université de Picardie Jules Verne) à Amiens.

Publication dans Science le 12/02/2016 :

On-chip and free-standing elastic carbon films for micro-supercapacitors
P. Huang, C. Lethien, S. Pinaud, K. Brousse, R. Laloo, V. Turq, M. Respaud, A. Demortière, B. Daffos, P.L. Taberna, B. Chaudret, Y. Gogotsi, P. Simon




Très bon interview de Christophe Lethien (Enseignant/Chercheur IEMN-IRCICA-Telecom) pour Techniques de l’Ingénieur sur la genèse de ce microsupercondensateur, ses applications et sur l'importance de la collaboration des laboratoires au sein du RS2E (Réseau français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie) :
Une révolution dans le domaine du stockage d’énergie sur des puces miniaturisées




Autre interview vidéo de Christophe Lethien pour la RTBF :


Interview Christophe Lethien_IEMN_Micro... par CNRS_DR18

(Signalons tout de même la confusion de la journaliste entre densité d'énergie et densité de puissance...)

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