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Micro-batteries Lithium-ion à électrolyte solide

Publié le 17 mars 2020 par Patrick RENARD
Source : CEA-Leti

Le CEA-Leti a mis au point une batterie lithium-ion à électrolyte solide offrant une densité d'énergie sans précédent pour une taille aussi réduite (5 mm3). Des caractéristiques qui répondent aux besoins de certains dispositifs implantables ou portables.

Si les batteries lithium-ion à électrolyte solide existent déjà, elles n'avaient jusqu'à présent jamais été miniaturisées. Or, de telles batteries présentent bien des avantages comme l'absence de risque de fuite ou d'explosion. Par ailleurs, elles se distinguent par une faible auto-décharge, c'est-à-dire qu'elles peuvent rester longtemps inutilisées sans se décharger.

Pour déposer l'électrolyte solide en couche ultrafine avec une épaisseur de l'ordre du micron, les chercheurs du CEA-Leti ont mis à profit les procédés de micro-électronique sur silicium classiques. Ils ont utilisé les équipements de production en 200 mm du laboratoire pour réaliser les étapes de photolithographie, de dépôt de l'électrolyte sur le substrat de silicium et de gravure des couches. La principale difficulté était d'adapter ces procédés à des matériaux issus de la chimie des batteries. L'utilisation du substrat de silicium facilite ensuite l'intégration des micro-batteries dans des dispositifs électroniques, tels que les MEMS.

Les chercheurs sont ainsi parvenus à réaliser une batterie à couche mince (TBF pour Thin-Film Batterie) à haute densité d’énergie, intégrant une cathode LiCoO2 de 20 μm d'épaisseur dans une configuration d'anode sans lithium. Les performances sont sans précédent en termes de densité d’énergie et de puissance : 0,8 mAh/cm² et jusqu'à 12 mW/cm².

La batterie obtenue présente des dimensions très réduites (1,7 x 3,1 x 0,1 mm) et une capacité de 25 µAh. Couplée à un système de recharge par induction ou de récupération d'énergie vibratoire, elle peut être utilisée pour des applications peu gourmandes en puissance dans le domaine de la santé.

« Les fabricants de batteries ont du mal à produire des composants miniaturisés avec une densité d’énergie élevée », a déclaré Oukassi, ingénieur R&D au CEA-Leti. « Notre technologie offre cette opportunité avec les performances les plus élevées rapportées à ce jour, par rapport aux TFB et aux solutions de micro-supercondensateurs actuelles. »

Le processus de fabrication est viable pour la production industrielle à grande échelle et permet un contrôle facile et un réglage fin des propriétés électrochimiques du dispositif. Un projet est en cours avec un partenaire industriel pour associer ce type de batterie à un capteur de pression intra-oculaire pour la surveillance du glaucome.

Cette technologie a obtenu en 2019 le prix "Best Technical Development within Energy Storage" décerné par IdTechEx en 2019.


www.leti-cea.fr

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