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Fait marquant

Nanostructures de silicium pour supercondensateurs 2.0 combinant l'ultrastabilité et la Haute Performance Énergétique


Des chercheurs de l’équipe SiNaPS de notre laboratoire et de l’équipe STEP du laboratoire SyMMES ont mis au point une architecture nano-composite pour le stockage électrochimique, dont la couche protectrice a été réalisée par dépôt de couche atomique d’alumine. Cette innovation leur a permis d’obtenir des cyclabilités sans précédent dépassant les 8 millions de cycles et des maintiens de la capacité maximale proches de 100 % sur les nanostructrues de silicium protégées et 500 000 cycles avec un nano-composite comportant un polymère conducteur, sans précédent avec un polymère.

Publié le 17 janvier 2022
La demande de dispositifs de stockage électrochimiques est très forte aujourd’hui pour des systèmes embarqués de basse puissance comme les objets technologiques portables (internet des objets, implants médicaux…) ou encore les réseaux de capteurs autonomes. Les unités de stockage d'énergie doivent présenter de hautes densités d'énergie et de puissance, tout en étant faciles à miniaturiser et à faible coût de production. Dans ce contexte, les microsupercondensateurs sont des solutions très prometteuses du fait de leur haute densité de puissance et leur grande vitesse de charge/décharge.

La réalisation d’électrodes nanostructurées est apparue comme un moyen de lever le verrou des performances de densité d’énergie et durabilité des dispositifs. En effet la nanostructuration permet d’augmenter de plusieurs ordres de grandeur la surface effective des électrodes. Fort de son expérience de synthèse de nanofils de silicium par CVD, le consortium de chercheurs des équipes PHELIQS/SiNAPS et SyMMEs/STEP a mis au point une architecture nano-composite comprenant nanostructures de Si / couche de diélectrique nanométrique protectrice / polymères conducteurs électroniques [1]. La couche protectrice, d’une épaisseur inférieure à quatre nanomètres a été réalisée par dépôt de couche atomique (Atomique Layer Deposition) d’alumine [2]. Cette innovation a permis de démontrer très récemment des cyclabilités sans précédent pouvant dépasser les 8 millions de cycles et des maintiens de la capacité maximale proches de 100 %.

Par ailleurs, les premières étapes clés du procédé de production d’électrodes flexibles composites à base de nanofils Si / Al2O3 / polymères conducteurs ont été également récemment franchies. Pour ce faire, Le polymère conducteur PEDOT-PSS a été déposé sous forme de gouttes (drop-cast) sur les nanostructures Si/Al2O3. Malgré le faible contrôle sur l’épaisseur du dépôt, les performances énergétiques et de puissance se sont révélées être remarquables une rétention de capacité de près de 95 % sur 500 000 cycles, soit 10 à 100 fois supérieur à l’état de l’art. Une telle stabilité au cyclage pour un nanocomposite à base de polymères conducteurs, combinée à des performances de stockage électrochimique de premier ordre est à ce jour sans précédent.

La maîtrise de la synthèse des nanostructures et la mise au point de multimatériaux de structures flexibles permettent d’envisager la réalisation de microsources de stockage d’énergie pour les nouvelles générations de systèmes électroniques de plus en plus embarqués dans notre univers quotidien.

Des nanostructures de silicium au nano-composite :
a) nanofils de silicium fortement dopés élaborés par croissance VLS (Vapeur-Liquide-Solide, CVD plateau Nanos),
b) nanofils silicium avec dépôt d’alumine de 3 nm d’épaisseur par ALD (PTA),
c) Nano-composite constitué des nanofils + alumine et polymère conducteur.

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