L’électrolyte solide photostructuré, un nouveau pas vers l’industrialisation des micro-supercondensateurs
Prisés pour leur puissance et leur durée de vie, les micro-supercondensateurs n’ont pas encore su s’imposer comme source d’énergie pour l’internet des objets, le manque d’électrolytes solides qui permettent une conduction « rapide » des ions étant à l’origine de nombreux problèmes pratiques. Une équipe internationale a développé le premier micro-supercondensateur à électrolyte solide photostructuré. Chaque étape de sa fabrication technologique a été réalisée avec des équipements standards de l’industrie de la microélectronique. Ces travaux nous rapprochent ainsi d’un transfert industriel des micro-supercondensateurs.
Les micro-supercondensateurs stockent l’énergie et la délivrent avec une puissance élevée. Également pourvus d’une grande durée de vie, ils pourraient alimenter de nombreux objets connectés et accompagner le développement de l’IoT. L’essor industriel des micro-supercondensateurs est cependant freiné depuis vingt ans par la mise au point d’électrolytes solides suffisamment performants, comme on retrouve par exemple chez les micro-batteries au lithium. Les électrolytes actuellement disponibles sont soit liquides (sionique ~ 10-2 S cm-1), ce qui pose des contraintes d’étanchéité, soit conduisent trop lentement les ions pour fonctionner efficacement quand ils sont solides (sionique ~ 10-6 S cm-1). L’électrolyte solide doit également être structuré autour de la zone active du micro-supercondensateur, et ce sur une surface de seulement 4 mm2. Des chercheurs et chercheuses de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Univ. Polytechnique Hauts-de-France/Univ. Lille/Centrale Lille Institut Junia), de l’Unité de catalyse et de chimie du solide (UCCS, CNRS/Univ. Artois/Univ. Lille/Centrale Lille Institut) et de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA, États-Unis) ont conçu les premiers micro-supercondensateurs à électrolyte solide photostructuré, dont les procédés de fabrication sont compatibles avec une production industrielle concrète.
Leur électrolyte est composé d’une résine solide pleine de nanopores, dans lesquels un liquide ionique pur peut circuler, mais pas s’échapper. La conductivité ionique approche celle d’un électrolyte liquide (sionique ~ 10-3 S cm-1) permettant aux micro-dispositifs de travailler à des régimes de charge/décharge élevé (t ~10 s). Cette résine est structurée par photolithographie pour qu’elle se limite aux deux électrodes du micro-supercondensateur en nitrure de vanadium. La structure interdigitée des électrodes offre une surface optimale d’échange d’ions et est encapsulée par cet électrolyte solide photostructuré. Ce système peut ensuite être aussi bien répliqué dans une configuration en série et/ou en parallèle, pour augmenter respectivement la tension ou l’intensité du courant. Tous les procédés utilisés dans ces travaux sont déjà disponibles dans les salles blanches des grands groupes de l’industrie de la microélectronique. L’équipe tente à présent d’atteindre une tension unitaire supérieure à un volt, ce qui représenterait un nouveau pas vers une production industrielle des micro-supercondensateurs.
Ces résultats sont publiés dans la revue JOULE.
© C. Choi (UCLA) et K. Robert (IEMN).
Références
Photopatternable hydroxide ion electrolyte for solid-state micro-supercapacitors.
C. Choi, K. Robert, G. Whang, P. Roussel, C. Lethien et B. Dunn.
Joule 5, 1–13, 2021.
https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.07.003