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Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID)
Edition 2012


MECANANO


Microstockage de puissance et d’Energie pour Capteurs AutoNomes nANostructurés cOmmunicants

Microstockage de puissance et d’Energie pour Capteurs AutoNomes nANostructurés cOmmunicants
Le projet MECANANO vise à développer une microsource de stockage de puissance et d’énergie permettant d’assurer l’autonomie énergétique de microcapteurs communicants. Pour couvrir des besoins simultanés en puissance et en énergie, c'est-à-dire pour répondre à tout type de scénarii en toute circonstance, le projet MECANANO se propose de réaliser 4 microdispositifs de stockage dont les performances balayeront l’ensemble du diagramme de Ragone Energie vs Puissance.

Enjeux et objectifs du projet MECANANO
Les microdispositifs de stockage seront développés de manière individuelle en utilisant une technologie générique 3D dans la 1ère phase de ce projet et une fabrication/intégration collective sera proposée dans une seconde phase.
L’architecture des 4 microdispositifs de stockage proposée sera compatible avec les procédés de micro/nanofabrication développés dans l’industrie du silicium et en particulier dans le domaine des microtechnologies MEMS. Le projet MECANANO se propose donc de réaliser 4 microdispositifs de stockage à haut degré de densité d’énergie et de puissance. L’originalité de MECANANO réside dans la réalisation d’une même technologie générique de déploiement de surface spécifique réalisée par micro/nanostructuration du silicium et qui agirait comme socle commun des 4 microdispositifs de stockage développés individuellement puis collectivement.
Par rapport aux projets de recherche existants sur la thématique du microstockage, le projet MECANANO se positionne avec une approche originale en totale rupture avec les dispositifs existants et alliant micro/nanotechnologie et optimisation matériaux pour couvrir toute la gamme des applications depuis de fortes densité d’énergie (10-2 Wh/cm3) et jusqu’à des densités de puissance importantes (103 W/cm3)

Méthode / approches du projet MECANANO
Chaque dispositif 3D sera d'abord réalisé individuellement sur un substrat de silicium puis caractérisé par électrochimie pour mesurer les performances obtenues en comparaison avec un dispositif planaire. La conformité, l'uniformité et l'homogénéité des dépôts de matériaux sont développées à l'IEMN et l'IMN. Une intégration collective de 2 dispositifs sera réalisée dans le cadre de ce projet.

Résultats

En 2013, un gain de surface 2D / 3D d'un facteur 30 a été démontré pour:
- une électrode de microbatteries en dioxyde de titane (0.2 mAh/cm2)
- une électrode de microsupercondensateurs en dioxyde de manganèse (250 mF/cm2).

.....avec des microstructures 3D originales (microtubes) de forte densité, profondes, robustes et usinées dans un substrat silicium. Les dépôts conformes de ces matériaux a été mis au point dans les 2 laboratoires partenaires.

Perspectives

Après l'installation d'un nouveau bati ALD à l'IEMN, les dépôts de matériaux lithiés sont en cours de développement pour l'obtention d'une microbatterie 3D tout solide sur nos structures 3D innovantes.

Un microsupercondensateur tout solide à base d'oxyde de métaux de transition est en cours de fabrication dans le cadre du projet.

Productions scientifiques et brevets

Silicon-microtube scaffold decorated with anatase TiO2 as a negative electrode for a 3D litium-ion microbattery
EUSTACHE E., TILMANT P., MORGENROTH L., ROUSSEL P., PATRIARCHE P., TROADEC D., ROLLAND N., BROUSSE T., LETHIEN C.
Adv. Energy Mater., (2014) 1301612,

High surface capacity Li-ion all solid state 3D microbattery based on anatase TiO2 deposited by ALD on silicon microstructures
EUSTACHE E., TILMANT P., MORGENROTH L., ROUSSEL P., ROLLAND N., BROUSSE T., LETHIEN C.
224th ECS Meeting, Symposium E2 - Atomic Layer Deposition Applications 9, San Francisco, CA, USA, october 27-november 1, 2013
ECS Trans., 58, 10 (2013) 119-129, related to meeting abstract MA2013-02(24):1875 (published october 2013)

High areal capacitance micro-supercapacitor based on electrodeposited MnO2 thin films on silicon 3D microstructures
EUSTACHE E., TILMANT P., MORGENROTH L., ZEGAOUI M., DOUARD C., LETHIEN C., BROUSSE T.
224th ECS Meeting, Symposium B5 - Electrochemical Capacitors : Fundamentals to Applications, San Francisco, CA, USA, october 27-november 1, 2013, Abstract B5-0619

Partenaires

IEMN Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies

Laboratoire public

Aide de l'ANR 296 086 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 36 mois

Résumé de soumission

Le projet MECANANO vise à développer une microsource de stockage de puissance et d’énergie permettant d’assurer l’autonomie énergétique de microcapteurs communicants. Pour couvrir des besoins simultanés en puissance et en énergie, c'est-à-dire pour répondre à tout type de scénarii en toute circonstance, le projet MECANANO se propose de réaliser 4 microdispositifs de stockage dont les performances balayeront l’ensemble du diagramme de Ragone Energie vs Puissance. Ils seront développés de manière individuelle en utilisant une technologie générique 3D dans la 1ère phase de ce projet et une fabrication/intégration collective sera proposée dans une seconde phase.
L’architecture des 4 microdispositifs de stockage proposée sera compatible avec les procédés de micro/nanofabrication développés dans l’industrie du silicium et en particulier dans le domaine des microtechnologies MEMS.

Pour atteindre ces objectifs, le consortium regroupe 2 laboratoires de recherche :
- l’IEMN, reconnu dans le domaine de la microélectronique et des nanotechnologies et développant une activité de recherche dans le microstockage d’énergie pour microsystèmes autonomes communicants (microbatterie Li-ion). L’IEMN est membre du réseau des grandes centrales technologiques de France
- l’IMN JR (Institut des Matériaux Jean Rouxel, UMR CNRS 6502), reconnu dans le domaine des matériaux et dispositifs pour le stockage et la conversion d’énergie : supercondensateurs, accumulateurs, piles à combustibles, et membre du réseau français sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E)
La complémentarité des 2 partenaires du consortium permettra de proposer des microsources de stockage d’énergie et de puissance miniatures totalement intégrables pour des applications « capteurs autonomes communicants » à caractère civil et militaire (contrôles environnementaux, surveillance de zone sensible, maintenance préventive, santé des structures, capteurs de contraintes mécaniques…).

Les résultats majeurs attendus dans le projet MECANANO sont les suivants :
- Définition d’une architecture générique de déploiement de surface spécifique par micro/nanostructuration d’un substrat de silicium. Cette technologie constituera le socle de base des 4 microdispositifs de stockage et permettra de décupler leurs performances afin de dépasser l’état de l’art par l’utilisation de technologie en rupture. Son paramétrage sera d’une importance capitale pour dimensionner les dispositifs fabriqués dans le projet MECANANO. Une attention particulière sera consacrée à l’aspect écologique des matériaux utilisés dans les 4 microsources de stockage d’énergie.
- Fabrication d’une microbatterie tout solide de type lithium ion en topologie 3D (5 à 50 mWh/cm2 – 3V – 1000 à 10 000 cycles).
- Réalisation technologique d’un microsupercondensateur 3D à base d’oxydes de métaux de transition (30 à 240 µWh/cm2 – 1.5V – 100 000 cycles)
- Fabrication d’un microcondensateur électrolytique (1mF/cm2, 4µWh/cm2 – 5V – 100000 cycles, temps de réponse ~ 10-100ms) utilisant la microstructure 3D générique.
- Fabrication d’un microcondensateur électrostatique (1,4 µWh/cm2 avec une capacité de 100µF/cm2 – 10V – 1 000 000 cycles – temps de réponse ~ ms) utilisant la microstructure 3D générique.
- Réalisation d’un démonstrateur/prototype intégrant sur un même substrat silicium au moins 2 microdispositifs de stockage complémentaires permettant de démontrer l’interopérabilité des procédés de microfabrication.

 

Programme ANR : Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID) 2012

Référence projet : ANR-12-ASTR-0032

Coordinateur du projet :
Monsieur CHRISTOPHE LETHIEN (Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies)
christophe.lethien@nulliemn.univ-lille1.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.