La mini-batterie 3D de Millibatt pour les objets connectés

Des chercheurs de l'université de Californie on fabriqué une micro-batterie grâce à des procédés issus de la microélectronique. Dotée d'une architecture en trois dimensions, elle offre de bonnes performances en termes de stockage d'énergie et de puissance délivrée. En créant la start-up Millibatt, les chercheurs éspèrent développer cette technologie prometteuse pour l'avenir des objets connectés.

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La mini-batterie 3D de Millibatt pour les objets connectés
L'anode est faite de cylindres verticaux en silicium de 400 µm de haut et 100 µm de diamètre. Ils sont recouverts d'une couche d'électrolyte en résine photosensible SU-8. Un oxyde de NCA recouvre le tout pour former la cathode.

Des chercheurs de l’université de Californie (UCLA) ont mis au point une batterie lithium-ion rechargeable miniature d’un genre particulier : fabriquée grâce à un procédé issu de la microélectronique, elle est dotée d’une architecture en trois dimensions et utilise un électrolyte solide : une résine photosensible SU-8. Si leurs travaux viennent d’être publiés dans la revue Joule, les chercheurs ont déjà fondé la start-up Millibatt pour faire sortir leur technologie du laboratoire. « Nous essayons d’améliorer le rendement, le procédé de fabrication et le conditionnement de notre micro-batterie, indique Leland Smith, l’un des auteurs de l’étude. Nous testons des prototypes avec nos premiers clients. »

De tels systèmes sont particulièrement prometteurs dans le cadre du développement de l’internet des objets (IoT) pour équiper des petits appareils portables, des capteurs embarqués et des actionneurs. Car selon Leland Smith, les solutions disponibles à l’heure actuelle ont leurs limites. Les piles bouton ? « La plupart ne sont pas rechargeables. Et celles qui le sont offrent peu de puissance. » Les cellules prismatiques (qui équipent la plupart des smartphones) ? « Elles offrent de bonnes performances en termes de puissance et d’énergie. Mais elles sont fragiles et surchauffent facilement. » Les batteries en couches minces ? « Elles sont robustes mais offrent des performances limitées en termes de puissance et de quantité d’énergie stockée. » De plus, poursuit-il, ces deux dernières solutions ne sont pas disponibles dans des petits formats pour les appareils connectés les plus petits du marché.

Plus de matériau actif et de surface d'échange

« Bien que nos prototypes soient trois fois plus épais que les couches minces typiques, ils stockent vingt fois plus d’énergie par unité de surface et fournissent des courants dix fois plus importants que les piles boutons, précise Leland Smith. De plus, nous avons fait beaucoup de progrès au sujet du conditionnement de nos batteries pour les rendre plus adaptées et stables par rapport aux cellules prismatiques. » La batterie décrite dans la publication délivre des densités de courant allant jusqu'à 0,66 mA/cm² pour une capacité maximale de 5,2 mWh/cm². En stockant une quantité d'énergie plus raisonnable de 1,6 mWh/cm², elle supporte 100 cycles de charge.

D’un point de vue chimique, la micro-batterie développée par les chercheurs fonctionne de la même façon qu’une batterie lithium-ion. La différence principale est la géométrie : au lieu d’avoir une couche d’électrolyte et des électrodes plates comme c’est le cas dans les technologies bouton, prismatique ou en couche mince, l’anode de silicium de la micro-batterie 3D est formée d’un réseau de cylindres verticaux de 100 µm de diamètre et 400 µm de haut disposés de manière régulière. Les cylindres sont ensuite recouverts d’un revêtement de 10 µm d’épaisseur à base de résine photosensible SU-8. Celle-ci fait office d’électrolyte en laissant passer les ions d’une électrode à l’autre. Enfin, la cathode est constituée d’un oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA) déposé sur le dessus et qui comble les trous entre les cylindres. « Ce design permet de créer des couches plus épaisses de matériau actif tout en maintenant une faible distance de diffusion pour les ions », affirme Leland Smith. A la clé : une puissance et une densité d’énergie améliorée dans un dispositif de taille réduite.

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