• Langue : Français
• Discipline : Électronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2020LILUI055
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 12/11/2020

Résumé en langue originale

Le développement de réseaux de capteurs connectés complexes, miniatures et autonomes nécessite l’élaboration de nouveaux dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie. De tels dispositifs doivent être performants, miniatures et compacts, pouvant être assemblés directement sur une puce électronique. Pour ce faire, les micro-batteries (μ-Bat) à ions lithium et micro-supercondensateurs (μ-SC) peuvent assurer, grâce à leur complémentarité, l’autonomie énergétique des objets connectés miniaturisés. Pour obtenir de tels micro-dispositifs, l’idée est de coupler une électrode de carbone avec une électrode de matériaux pseudocapacitifs. Les carbones poreux dérivés de carbure métallique (CDC) ont été développés ces dernières années et présentent des densités de puissance importantes. Également, le pentoxyde de niobium (Nb2O5), de par son comportement pseudocapacitif, permet de stocker de grandes quantités d’énergie. Dans cette étude, des films minces de Nb2O5 ont été déposés sur substrat de silicium par pulvérisation, puis cristallisés par un traitement thermique rapide en films de Nb2O5 orthorhombique (T-Nb2O5). Le mécanisme d’intercalation rapide des ions lithium dans le matériau T-Nb2O5 a été étudié. Ensuite, des films minces de carbure de titane (TiC) ont été déposés sur substrat de silicium par pulvérisation, puis convertis par chloration partielle en films de TiC-CDC microporeux adhérents. Des micro-supercondensateurs hybrides CDC/Nb2O5 ont été élaborés et étudiés en milieu 1M LiClO4 (EC/DMC : 1/1). Enfin, l’écriture laser sur KaptonTM d’électrodes à base de Nb2O5 et de carbone semble prometteuse pour la réalisation de micro-supercondensateurs flexibles.

Résumé traduit

Continuous development and further miniaturization of electronic devices greatly stimulate the research for miniaturized and compact electrochemical energy storage (EES) devices, allowing thus the development of autonomous, sustainable and connected devices. Small footprint storage sources should be sufficient efficient in terms of power, autonomy and lifespan and fixed directly on chip. To fulfil the requirements, the combination of a micro-battery (μ-Bat) with a micro- supercapacitor (μ-SC) would constitute an ideal EES microdevice where μ-Bat is dedicated to long-term applications and μ-SC ensures power demand. As promising electrode candidate for high power microdevice, carbide-derived carbons (CDCs) have been identified to load to important capacitance gains. In addition, niobium oxide (Nb2O5) stores higher levels of charges and offers the prospect of achieving energy densities of Li-ion battery materials but with the ability to operate at high power. In the present study, Nb2O5 thin films were deposited on silicon wafer by sputtering and crystallized by a rapid thermal annealing into an orthorhombic phase T-Nb2O5. We investigated porous T-Nb2O5 in which rapid insertion of lithium throughout the entire material. Then, titanium carbide (TiC) thin films were deposited on silicon wafer by sputtering and partial chlorinated into strongly adherent TiC-CDC films. Hybrid micro-supercapacitors CDC/Nb2O5 were successfully prepared and characterized in 1M LiClO4 (EC/DMC : 1/1). Finally, direct laser writing onto KaptonTM of Nb2O5 and carbon-based electrodes open the way for the design of flexible micro-supercapacitors.