Posté par Redbran le Vendredi 08/02/2019 à 14:00
L’Internet des objets doit mieux s'alimenter
Combinant miniaturisation et liaison sans-fil, les appareils nomades ont besoin de sources d’électricité pérennes et rapides: micro-supercondensateurs et microbatteries pourraient être la solution.

De plus en plus d’appareils fonctionnent de manière autonome voire sans contact physique: leur mise en réseau forme ce que l’on appelle l’Internet des objets (Internet of things ou IoT). Extrêmement nombreuses, les applications vont de l’assistant personnel connecté à un site de commerce en ligne, à un capteur placé par des chercheurs au fin fond de la forêt amazonienne. À commencer par le Smartphone, qui ne se limite pas aux communications volontaires de son propriétaire, mais échange constamment avec le monde extérieur pour vérifier si ses applis sont à jour et pour synchroniser les comptes. Le succès du sans-fil s’accompagne également d’une miniaturisation croissante afin de rendre ces objets nomades presque indétectables. Reste que pour les faire fonctionner, il leur faut à tout moment pouvoir compter sur une source d’électricité.

Schéma illustrant des micro-supercondensateurs 3D utilisant un squelette micrométrique (gauche) ou nanométrique (droite). Collaboration IEMN / IMN - A. Duchenne / C. Lethien

Stocker plus et restituer vite

Tout comme les batteries, les supercondensateurs stockent et libèrent de l’électricité grâce à des réactions électrochimiques. Qu’ils soient à l’échelle macroscopique ou d’une taille micrométrique, leur principe reste le même: deux électrodes échangent des ions qui transitent dans un électrolyte. Les mécanismes de stockage sont en revanche différents: la batterie stocke les charges dans la masse tandis que le supercondensateur le fait à l’interface entre les électrodes et l’électrolyte. Les batteries sont ainsi capables d’emmagasiner beaucoup plus d’énergie, quand les supercondensateurs peuvent la restituer avec plus de puissance et sans s’user. Combiner ces propriétés dans un même matériau n’est malheureusement pas encore possible.

La principale solution consiste donc à associer les deux systèmes lorsque l’on descend aux échelles micrométriques. David Pech, chargé de recherche CNRS au Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS) du CNRS, explique ainsi que "les procédés de fabrication et dépôts de couches minces sont très proches entre des microbatteries et des micro-supercondensateurs. Ils se distinguent surtout au niveau des matériaux utilisés et de leurs mécanismes de stockage de charges".

L’objectif reste de garantir l’autonomie de capteurs nomades, avec le moins de maintenance possible. Un objet connecté, miniaturisé ou non, qui effectue des relevés dans son environnement proche se compose de plusieurs éléments échangeant les informations mesurées.

Elles sont centralisées, stockées puis transmises via des communications sans fil vers un centre de données. L’alimentation électrique de ces objets connectés doit donc leur permettre à la fois de fonctionner, puis de communiquer avec les noeuds du réseau, comme le précise Christophe Lethien, maître de conférences à l’Université de Lille et membre de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (1).

"La plupart des objets connectés miniaturisés consomment une puissance moyenne qui doit être maintenue pendant plusieurs minutes ou heures, ce qui correspond aux propriétés des microbatteries. Ils doivent cependant transmettre des données au bout d’un certain temps, par exemple une fois par jour. Cette opération réclame un pic de puissance, que seul un micro-supercondensateur peut fournir. Cet exemple illustre parfaitement la complémentarité des microbatteries et des micro-supercondensateurs. Il démontre ainsi l’intérêt d’avoir cette approche combinée", explique Christophe Lethien.

Une affaire de surface

Les microdispositifs étant limités par leur taille réduite, on s’efforce d’améliorer les propriétés des micro-supercondensateurs, notamment en augmentant leur densité d’énergie qui correspond à la quantité d’énergie qu’ils peuvent stocker par unité de surface. Les chercheurs privilégient donc des architectures en trois dimensions, avec des matériaux souvent poreux. Ils démultiplient ainsi la surface de l’interface entre les électrodes et l’électrolyte, puisque c’est là que l’énergie est emmagasinée.

Micro-supercondensateurs 3D recouvert d’une goutte d’électrolyte (haut) et d'une électrolyte solide ionogel (bas). Collaboration IEMN / IMN - E. Eustache / C. Lethien

"Nous ne voulons pas augmenter la densité d’énergie d’un facteur deux ou trois, mais créer une véritable rupture, affirme David Pech. Nous avons beaucoup étudié ces dernières années l’oxyde de ruthénium, connu pour sa grande capacité, mais aussi pour son coût prohibitif. Or, aux échelles micrométriques, on en utilise de si faibles quantités que son emploi devient envisageable." Les tailles réduites ont un autre avantage: la diminution de la distance entre les électrodes accélère les échanges d’ions et augmente ainsi la puissance délivrée. Elles facilitent également la récupération d’énergie, puisque puiser dans d’infimes sources d’énergie de l’environnement d’un microdispositif (chaleur, variations de température, vibrations...) suffit à recharger ces micro-supercondensateurs.

Recherche procédé industriel

Toutefois, en dépit de pistes prometteuses explorées depuis une quinzaine d’années par les chercheurs, faute d’un procédé de production industriel, aucun micro-supercondensateur n’est actuellement commercialisé. Les prototypes conçus en laboratoire montrent pourtant des propriétés exceptionnelles, comme supporter plusieurs millions de cycles de charge et de décharge quand les batteries d’un Smartphone vont décliner bien avant d’atteindre le millier."Il faudrait travailler à partir de procédés industriels issus de la microélectronique afin de faciliter les transferts de technologie du laboratoire vers l’industrie, baisser les prix et rendre les méthodes plus reproductibles, détaille Christophe Lethien. Mais le principal verrou des micro-supercondensateurs reste l’électrolyte." Ce matériau, qui conduit les ions entre les deux électrodes, est solide dans les microbatteries. Pour les micro-supercondensateurs, il se présente par contre sous forme liquide, ce qui pose de nombreux défis d’étanchéité. Souvent corrosif, l’électrolyte s’encapsule mal aux petites échelles, car les parois qui le retiennent sont trop fines.

Alors, pourquoi ne pas passer à une version solide ? "C’est une question de rapidité, répond Christophe Lethien. Les ions circulent plus vite dans un électrolyte liquide que dans un électrolyte solide. Or nous avons justement besoin que les transferts se fassent le plus rapidement possible pour fournir les pics de courant caractéristiques des micro-supercondensateurs." Leur constante de temps se compte en effet en millisecondes, contre plusieurs heures pour les microbatteries. Pour trouver un juste milieu, des équipes françaises, comme celle de Jean Le Bideau et de Thierry Brousse à l’Institut des matériaux Jean Rouxel (2) ou celle de Patrice Simon du Centre interuniversitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux (3), développent par exemple des électrolytes sous forme de ionogels.

"La recherche française dans le stockage électrochimique de l’énergie s’est structurée depuis huit ans autour du réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E). Avec une bonne dizaine de laboratoires travaillant sur les microbatteries et les micro-supercondensateurs, la France possède un solide savoir-faire scientifique, conclut Christophe Lethien. Malheureusement, peu d’industriels s’y intéressent alors que nous adorerions discuter avec eux pour qu’ils puissent nous expliquer leurs besoins."

Notes:
(1) Unité CNRS/ISEN Lille/Yncréa/Renatech/Université polytechnique Hauts-de-France/Centrale Lille/Université de Lille).
(2) Unité CNRS/Université de Nantes.
(3) Unité CNRS/Université de Toulouse-III Paul Sabatier/INP Toulouse.
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