Élaboration de matériaux pour microbatterie 3D Li-ion par dépôt de couches atomiques (ALD) et caractérisations structurales operando

par Manon Létiche

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

Sous la direction de Pascal Roussel et de Christophe Lethien.


  • Résumé

    Afin de subvenir aux besoins énergétiques des nouvelles technologies électroniques nomades et miniatures, le développement de microdispositifs de stockage électrochimique d’énergie suffisamment performants telles que les microbatteries (MB) Li-ion est nécessaire. Pour ce faire, l’élaboration de MB Li-ion en topologie tridimensionnelle est une voie attractive qui permet le déploiement de surface spécifique tout en conservant l’empreinte surfacique initiale (de l’ordre du mm2), exacerbant ainsi la densité d’énergie délivrée par la MB. Cette solution est rendue possible grâce au développement de technique de dépôt couches minces telle que l’ALD qui est capable de réaliser des dépôts conformes. Dans le cadre de cette thèse, un électrolyte solide (Li3PO4) a été développé et optimisé de façon conforme, par ALD, sur un substrat de silicium structuré au préalable par des techniques de micro-fabrication. Une électrode positive de type spinelle (LiMn1.5Ni0.5O4) a également été élaborée par pulvérisation cathodique RF. Les performances ont été optimisées en fonction des paramètres de dépôt sur un substrat Si/Al2O3/Pt. Une capacité volumique de 63 µAh.cm-2.µm-1 a ainsi été mesurée pour un dépôt de 420 nm à 0,01 mbar recuit sous air à 700°C. Enfin, un prototype de cellule électrochimique en vue d’un suivi in situ/operando par DRX d’une électrode en couche mince, a été proposé.

  • Titre traduit

    Elaboration and in operando stuctural characterizations of a 3D microbattery made of thin films deposited by atomic layer deposition (ALD)


  • Résumé

    In order to address the demand on energetic needs to sustain nomad and miniaturized electronic devices, micro-devices performance for energy storage such as Li-ion microbatteries (MB) have to be improved. An attractive way to meet the required performance consists in using 3D topology increasing the specific surface while keeping the initial surface footprint (in the mm2 range) which is significantly enhancing the delivered energy density of the MB. The development of thin film technologies such as ALD enabling conformal deposition makes it possible. In the framework of this thesis, a solid electrolyte (Li3PO4) has been developed and optimized by ALD, on a 3D micro-architectured silicon substrate obtained by microfabrication techniques. A positive electrode (LiMn1.5Ni0.5O4) has also been developed and optimized as a function of the deposition parameter by RF sputtering deposition on a Si/Al2O3/Pt substrate. A volumetric capacity of 63 µAh.cm-2.µm-1 has been measured for a film of 420 nm thick obtained at 0.01 mbar and then annealed at 700°C under air atmosphere. Finally, a prototype has been proposed to realize an electrochemical cell for the purpose of in situ/operando follow-up by XRD of a thin film electrode deposited on silicon substrate.


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