Supercondensateurs nanostructurés tout-solides pour stockage d’énergie plus dense et plus sûr – DENSSCAPIO

Sur la base de notre consortium transdisciplinaire, DENSSCAPIO vise à accroître la densité d'énergie et la sécurité des microsupercapacités (µSC) innovantes tout solide, en intégrant de nouvelles nanotechnologies et nanomatériaux. La stratégie consiste à développer des électrodes de surface élevées basées sur des matériaux pseudocapacitifs qui fonctionnent dans des conditions sévères (large gamme de températures, basse pression et miniaturisation) grâce à des électrolytes solides à haute performance spécialement conçus, à savoir des ionogels, fournissant une compatibilité avec les procédés microélectroniques de fabrication couramment utilisés . Plus précisément, les électrodes 3D interdigitées présenteront des micropilliers recouverts de nanofils, sur lesquels sera réalisé un dépôt conforme de matériaux pseudocapacitifs, fournissant ainsi une capacité surfacique élevée. D'autres défis technologiques seront abordés grâce aux électrolytes solides et sûrs dotés de propriétés liquides, ainsi qu'à l'intégration des micro-dispositifs.

Le concept général est de fabriquer des microstructures 3D par microfabrication d'un substrat de silicium par un procédé de gravure par ionisation profonde "Deep Reactive Ion Etching". Ces microstructures en silicium 3D orientées verticalement seront recouvertes de nanostructures 3D (nano-fils ZnO) pour améliorer la capacité grâce à une augmentation de la surface. Le dépôt conforme d'une couche mince MnO2 améliorera considérablement la capacité surfacique sur la microstructure 3D, jusqu'à 100 mF/cm2 dans les électrolytes liquides ioniques (LI). Nous prévoyons la croissance de nanofils supplémentaires pour augmenter considérablement cette valeur, atteignant plus de 1 F/cm2, la capacité standard d'une électrode de carbone "bulk" dans les EDLC. En outre, les électrodes MnO2 exploitées dans les LI présentent une tension cellulaire limitée qui se limite pour l'instant à 1,5V. Nos µSC 3D basées sur les électrodes hiérarchiques micro-nano interdigitées pourraient être connectées en série et / ou en parallèle pour former une matrice de µSC avec une tension de fonctionnement élevée, à savoir jusqu'à 10V.

Cependant, de telles améliorations dans la capacité et dans la conception des microdispositifs sont inutiles si le microdispositif ne peut être utilisé avec un électrolyte solide. Ainsi, les points clés du projet seront d'adapter les ionogels, c'est-à-dire le liquide ionique (par exemple, électroactif ou non) et le réseau de confinement et son processus de synthèse pour réduire la synérèse afin de préserver les structures micro/nano-électrodes 3D, afin d'éviter une réaction chimique avec le matériau d'électrode, pour fournir une jonction ionique intime avec l'entièreté de l'électrode, et enfin pour maintenir de bonnes performances, surtout en termes de puissance. Le ionogel sera déposé sur les électrodes hiérarchiques pour atteindre un dispositif tout solide. On utilisera soit un matériau à base de silice, soit des polymères, soit des ILs électro-polymérisées, en tant que réseaux hôtes pour les LI, redox ou non. En outre, le développement de LI-redox pourra augmenter les performances. Dans ces ILs redox, l'anion et le cation contribuent tous deux aux procédés rapides de charge / décharge de Faradaic et la capacité et la densité d'énergie d'un dispositif à base de carbone activé peuvent considérablement être améliorées jusqu'à un facteur 4. D'un point de vue plus fondamental, des études électrochimiques et spectroscopies vibrationnelles seront effectuées pour comprendre la ségrégation et la dynamique des ions à l'interface (électrodes / ionogel) ; de nouveaux modèles basés sur la compréhension de la probabilité d'échange ionique seront également développés. Ceci devra permettre le développement de ionogels encore mieux adaptés et ainsi d'aboutir à des microsupercapacités encore améliorées.