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Micro-supercondensateurs : un procédé de fabrication compatible avec l’industrie, adaptable aux supports flexibles

Les micro-supercondensateurs stockent l’énergie électrique et présentent des puissances et durées de vie plus élevées que les micro-batteries. Si de nombreux prototypes sortent des laboratoires, les procédés de fabrication ne sont pas forcément compatibles avec ceux de l’industrie. Dans le cadre du Réseau sur le stockage électrochimique du CNRS (RS2E), plusieurs équipes1 autour des chercheurs du Cirimat (CNRS/Université Toulouse III - Paul Sabatier/INP Toulouse) ont développé un procédé de fabrication de micro-supercondensateurs adapté aux standards industriels. Ces dispositifs miniatures de stockage, décrits dans la revue Science, ont à ce jour le meilleur rapport énergie/puissance2 de la littérature et se présentent sous forme de films déposables tant sur puce de silicium que sur support flexible.

Maxi-compétition pour les micro-supercondensateurs
Depuis 5 ans, et face à l’intérêt d’inclure des micro-dispositifs de stockage de l’énergie directement sur des puces électroniques, la bataille fait rage en laboratoire. De nombreuses voies de production ont été étudiées. Certaines via des « wet processing routes ». Le problème : ces voies de production ne sont pas complètement compatibles avec les procédés utilisés dans les usines de semi-conducteurs ce qui bloque leur utilisation. D’autres voies ont d’autres contraintes (la très médiatisée gravure par laser du groupe de Kaner a des bonnes performances en puissance mais pas en énergie). Une équipe de chercheurs français associée à un chercheur russo-américain propose sa solution dans un article publié dans Science. Le dispositif de stockage développé est un supercondensateur miniature.

Les laboratoires impliqués dans cette aventure rassemblent le Centre inter-universitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (Cirimat, CNRS/Université de Toulouse III - Paul Sabatier/INP Toulouse) et le Laboratoire de physique et chimie de nano-objets (LPCNO, CNRS/INSA Toulouse/Université Toulouse III - 3 Paul Sabatier) , l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis/ISEN Lille/Ecole Centrale de Lille) et le Laboratoire réactivité et chimie des solides (LRCS, CNRS/Université de Picardie Jules Verne) à Amiens.

Les performances publiées sont les meilleures connues à ce jour
Le concept est à la fois compatible avec les procédés de production actuels, permet une très bonne adhésion sur le substrat de silicium (puce) grâce à une structure originale : une couche « support » de carbure de titane (TiC) présente entre le carbure (supercondensateur) et la puce de silicium. Le groupe a également observé une très bonne uniformité structurale de ses supercondensateurs
Au final, ils obtiennent le meilleur rapport énergie surfacique/puissance surfacique du moment.

Mieux, si la réaction de synthèse est poussée à son terme, toute la couche « support » de TiC est transformée en supercondensateur, qui se décolle alors du substrat de silicium. Ce film autosupporté, mécaniquement stable, et micrométrique est potentiellement utilisable pour des applications flexibles ou « portables » (wearable). Au-delà de l’application pour le stockage de l’énergie, ces matériaux offrent des perspectives pour la mise au point de revêtements élastiques à faible coefficient de frottement ou encore pour la réalisation de membranes pour la filtration de gaz.

1) Liste des laboratoires impliqués :
- Centre inter-universitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux (Cirimat, CNRS/Université Toulouse III - Paul Sabatier/INP Toulouse)
- Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis/ISEN Lille/Ecole Centrale de Lille)
- Laboratoire de Physique et Chimie de Nano-Objets (LPCNO, CNRS/INSA Toulouse/Université Toulouse III - Paul Sabatier)
- Laboratoire de réactivité et chimie des solides (LRCS, CNRS / Université de Picardie Jules Verne)
- Drexel Nanomaterials Institute (Université de Drexel)

2) Par unité de surface

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Vue en coupe du dispositif : supercondensateur (CDC), support et collecteur de courant (TiC) et wafer de silicium © A. Demortière/LRCS

Référence

P. Huang, C. Lethien, S. Pinaud, K. Brousse, R. Laloo, V. Turq, M. Respaud, A. Demortière, B. Daffos, P.L. Taberna, B. Chaudret, Y. Gogotsi, P. Simon;

On-chip and free-standing elastic carbon films for micro-supercapacitors;

Science, 12 février 2016

Contact chercheur

Patrice Simon, professeur au Cirimat et directeur adjoint du RS2E, médaille d'argent du CNRS 2015

Courriel : simon@chimie.ups-tlse.fr

Tel : 05 61 55 68 02

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken