Microsystèmes de stockage d'énergie sur substrat 3D

Energy storage microsystems on 3D substrate

• Auteur / Autrice : Etienne Eustache
• Direction : Thierry Brousse, Christophe Lethien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes) - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Thierry Djenizian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Brousse, Christophe Lethien, Thierry Djenizian, Patrice Simon, Jean-Pierre Pereira-Ramos, Rose-Marie Sauvage, Pierre-Yves Tessier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Simon, Jean-Pierre Pereira-Ramos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de manganèse

Supercondensateurs

Accumulateurs au lithium-polymère

Mots clés libres

Microbatterie

Résumé

Conférer de l'autonomie énergétique à des objets électroniques miniatures est un défi. De nouvelles voies de recherche doivent être investiguées pour augmenter les performances des microbatteries (MB) Li-ion et des micro-supercondensateurs (MSC). A ce titre, développer des microsystèmes de stockage en topologie 30 semble être une approche prometteuse pour outrepasser les densités d'énergie des dispositifs planaires. Dans le cadre de cette thèse exploratoire, nous avons réalisé des structures 30 à l'échelle micrométrique en utilisant un procédé de gravure profonde d'un substrat de silicium. Cette architecture est utilisée comme socle commun pour la fabrication de MB Li-ion 30 et de MSC 30. Une électrode négative de MB de TiO2 a été réalisée par dépôt par couche atomique (ALD) sur les structures 30 proposées. Les caractérisations électrochimiques montrent que l'augmentation de la capacité (x30) est proportionnelle à la surface développée par l'architecture 30. Un film conforme de phosphate de lithium (Li3P04) a également été développé par ALD. La conductivité ionique de (=4. 10-7 S/cm) et l'épaisseur limitée (60 nm) de la couche placent ce matériau comme électrolyte solide potentiel de MB 30. Des MSC à électrodes 30 interdigitées ont par ailleurs été fabriqués. Des électrodes de Mn02 ont été déposées en couche mince par dépôt électrolytique sur le substrat 30. Les résultats montrent que cette approche permet d'obtenir des dispositifs pseudocapacitifs à capacités spécifiques particulièrement élevées.

Providing autonomy to miniaturized electronic devices is a challenge. New research directions should be investigated in order to increase the performance of Liion microbatteries (MB) and micro-supercapacitors (MSC). Developing power sources with a 30 topology instead is a promising approach to surpass the planar devices energy density. Ln this exploratory thesis, we realized 30 structures at the micrometric scale by deep etching of a silicon substrate. This architecture is used as a common base to fabricate Li-ion MB and MSC. A TiO2 MB negative electrode has been realized by atomic layer deposition (ALD) on top of the microstructures. Electrochemical characterizations show a proportional increase (x30) of the capacity with the specific surface area of the 30 architecture. A conformal lithium phosphate (Li3P04) film has also been developed by ALD. The ionic conductivity (=4. 10-7 S/cm) and the limited thickness (60 nm) of the layer establish this material as a 30 MB potential solid-state electrolyte. Furthermore, MSC with interdigitated 30 electrodes have been fabricated. Mn02 thin films have been deposited by electrodeposition on top of the 30 substrate. Results demonstrate that this approach allow to achieve pseudocapacitive devices with high specific capacitance.