Dispositifs
Laurence Athouël, Thierry Brousse, Olivier Crosnier, Camille Douard
Si la conception de nouveaux matériaux d’électrode est réalisable grâce aux apports des techniques avancées de caractérisation, l’implémentation de ces électrodes et leur couplage au sein de dispositifs complets de stockage d’énergie reste souvent un challenge. Cette étape nécessite non seulement une expertise sur la formulation et la mise en forme des électrodes, mais également sur le choix et l’utilisation des autres composants des dispositifs : collecteurs de courant, séparateurs, électrolyte, packaging. Les électrolytes liquides (aqueux, organiques) sont privilégiés pour les formats 18650. Concernant les microsupercondensateurs, la finalité reste d’utiliser des électrolytes solides tels que les ionogels étudiés au laboratoire. La démonstration des performances des matériaux synthétisés passe par la réalisation de prototypes de dimensions significatives pour mesurer des performances crédibles. L’ensemble de ces expertises a été développé au sein de l’équipe en partenariat avec différents laboratoires et acteurs industriels.
Mots-clés : Prototypage, Microsupercondensateur, Supercondensateur, Système hybride
Collaborations : RS2E, IEMN, ICGM, CIRIMAT, IMN-PMN, IMN-PCM, LRCS, VISTEC, FSI JENA, EDF, DEXMET, PRINCE INTERNATIONAL, SWM INTERNATIONAL
Couches Minces et Microsupercondensateurs
Les microdispositifs de stockage d’énergie sont considérés comme indispensables au développement de l’IoT (Internet of Things). Densité d’énergie et densité de puissance doivent être soigneusement équilibrées dans ces microsystèmes. Si les microbatteries représentent l’autonomie des systèmes (capteurs, micromachines, etc.), les microsupercondensateurs permettent d’absorber les pics de puissance lors des phases de mesures, réception, transmission d’information, etc. Les matériaux pseudocapacitifs sont des électrodes de choix pour ce type de microdispositifs, assemblés en configuration symétrique ou asymétrique. L’électrolyte est souvent un point bloquant que nous abordons sous la forme des ionogels. Ceux-ci permettent une compatibilité avec les process de la microélectronqiue (en particulier le solder-reflow) tout en maintenant les liquides ioniques confinés dans leur matrice en verre ou en polymère. Au-delà des microdispositifs, l’étude des films minces de matériaux pseudocapacitif permet une approche fondamentale des phénomènes de stockage de charge tout en s’affranchissant de l’ajout d’additifs (liant polymérique, conducteur électronique).
Influence des microstructures sur la capacité surfacique de microsupercondensateurs
Thèses :
- Etienne Eustache « Microsystèmes de stockage d'énergie sur substrat 3D » (2012-2015)
- Jérémy Freixas « Microbatteries 3D zinc-air ou comment repousser les limites des technologies lithium-ion » (2015-2018)
- Botayna Bounor « Micro-supercondensateurs 3D tout solide à électrodes hiérarchiques fabriqués à l’échelle du wafer » (2016-2019)
- Thibaud Guillemin « Microsupercondensateurs nanostructurés 3D tout solides à base d’ionogel 3D » (2018-2021)
- Montakan Suksomboon « Thin film oxides for aqueous supercapacitors” (2017-2021)
Post-docs/CDD : Bouchra Asbani (2016-2018)
Projets : ANR DENSSCAPIO (2017-2021), MECANANO (2013-2016)
Collaborations : IMN-PMN, IMN-PCM, IEMN, ICGM, CIRIMAT, VISTEC
Références :
• Reflow Soldering-Resistant Solid-State 3D Micro-Supercapacitors Based on Ionogel Electrolyte for Powering the Internet of Things.
B. Asbani, B. Bounor, K. Robert, C. Douard, L. Athouël, C. Lethien, Le J. Bideau and T. Brousse.
J. Electrochem. Soc. 2020, 167, 100551
• Novel insights into the charge storage mechanism in pseudocapacitive vanadium nitride thick films for high-performance on-chip micro-supercapacitors.
Kevin Robert, Didier Stievenard, Dominique Deresmes, Camille Douard, Antonella Iadecola, David Troadec, Pardis Simon, Nicolas Nuns, Maya Marinova, Marielle Huve, Pascal Roussel, Thierry Brousse and Christophe Lethien.
Energy Environ. Sci. 2020, 13, 949-957
• Achieving on chip micro-supercapacitors based on CrN deposited by bipolar magnetron sputtering at glancing angle.
Emile Haye, Amine Achour, Abdelouadoud Guerra, Fatsah Moulai, Toufik Hadjersi, Rabah Boukherroub, Adriano Panepinto, Thierry Brousse, Jean-Jacques Pireaux and Stéphane Lucas.
Electrochim. Acta 2019, 324, UNSP 134890
• High temperature solid-state supercapacitor designed with ionogel electrolyte.
Bouchra Asbani, Camille Douard, Thierry Brousse and Jean Le Bideau.
Energy Storage Materials 2019, 21, 439-445
• Sputtered tungsten nitride films as pseudocapacitive electrode for on chip micro-supercapacitors.
Saliha Ouendi, Kevin Robert, Didier Stievenard, Thierry Brousse, Pascal Roussel and Christophe Lethien.
Energy Storage Materials 2019, 20, 243-252
• Challenges and prospects of 3D micro-supercapacitors for powering the internet of things.
Christophe Lethien, Jean Le Bideau and Thierry Brousse.
Energy Environ. Sci. 2019, 12, 96-115
• Electrochemical characteristics of NixN thin films deposited by DC and HiPIMS reactive magnetron sputtering.
J. Keraudy, L. Athouël, J. Hamon, B. Girault, D. Gloaguen, M. Richard-Plouet and P -Y. Jouan.
Thin Solid Films 2019, 669, 659-664
• On Chip Interdigitated Micro-Supercapacitors Based on Sputtered Bifunctional Vanadium Nitride Thin Films with Finely Tuned Inter- and Intracolumnar Porosities..
Kevin Robert, Camille Douard, Arnaud Demortière, Florent Blanchard, Pascal Roussel, Thierry Brousse and Christophe Lethien.
Advanced Materials Technologies 2018, 3, 1800036
• Reactive sputtering of vanadium nitride thin films as pseudo-capacitor electrodes for high areal capacitance and cyclic stability.
Amine Achour, Raul Lucio-Porto, Shahram Solaymani, Mohammad Islam, Iftikhar Ahmad and Thierry Brousse.
Journal of Materials Science-Materials in Electronics 2018, 29, 13125-13131
• Influence of surface chemistry and point defects in TiN based electrodes on electrochemical capacitive storage activity.
Amine Achour, Mohammad Islam, Iftikhar Ahmad, Laurent Le Brizoual, Abdou Djouadi and Thierry Brousse.
Scripta Materialia 2018, 153, 59-62
• Electrodes based on nano-tree-like vanadium nitride and carbon nanotubes for micro-supercapacitors.
Nadir Ouldhamadouche, Amine Achour, Raul Lucio-Porto, Mohammad Islam, Shahram Solaymani, Ali Arman, Azin Ahmadpourian, Hamed Achour, Laurent Le Brizoual, Mohamed Abdou Djouadi and Thierry Brousse.
Journal of Materials Science & Technology 2018, 34, 976-982
• High Areal Energy 3D-Interdigitated Micro-Supercapacitors in Aqueous and Ionic Liquid Electrolytes.
Etienne Eustache, Camille Douard, Arnaud Demortière, Vincent De Andrade, Mylène Brachet, Jean Le Bideau, Thierry Brousse and Christophe Lethien.
Advanced Materials Technologies 2017, 2, 1700126
• Tuning the Cation Ordering with the Deposition Pressure in Sputtered LiMn1.5Ni0.5O4 Thin Film Deposited on Functional Current Collectors for Li-Ion Microbattery Applications.
Manon Letiche, Maxime Hallot, Marielle Huve, Thierry Brousse, Pascal Roussel and Christophe Lethien.
Chem. Mater. 2017, 29, 6044-6057
• Anthraquinone modification of microporous carbide derived carbon films for on-chip micro-supercapacitors applications.
K. Brousse, C. Martin, A L. Brisse, C. Lethien, P. Simon, P L. Taberna and T. Brousse.
Electrochim. Acta 2017, 246, 391-398
• Role of nitrogen doping at the surface of titanium nitride thin films towards capacitive charge storage enhancement.
A. Achour, M. Chaker, H. Achour, A. Arman, M. Islam, M. Mardani, M. Boujtita, L. Le Brizoual, M A. Djouadi and T. Brousse.
J. Power Sources 2017, 359, 349-354
• Atomic Layer Deposition Alumina-Passivated Silicon Nanowires: Probing the Transition from Electrochemical Double-Layer Capacitor to Electrolytic Capacitor.
Dorian Gaboriau, Maxime Boniface, Anthony Valero, Dmitry Aldakov, Thierry Brousse, Pascal Gentile and Said Sadki.
ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 13761-13769
• Titanium vanadium nitride electrode for micro-supercapacitors.
A. Achour, R. Lucio-Porto, M. Chaker, A. Arman, A. Ahmadpourian, M A. Soussou, M. Boujtita, L. Le Brizoual, M A. Djouadi and T. Brousse.
Electrochem. Commun. 2017, 77, 40-43
• Atomic Layer Deposition of Functional Layers for on Chip 3D Li-Ion All Solid State Microbattery.
Manon Letiche, Etienne Eustache, Jeremy Freixas, Arnaud Demortière, Vincent De Andrade, Laurence Morgenroth, Pascal Tilmant, Francois Vaurette, David Troadec, Pascal Roussel, Thierry Brousse and Christophe Lethien.
Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601402
• Microsupercapacitors as miniaturized energy-storage components for on-chip electronics.
Nana Amponsah Kyeremateng, Thierry Brousse and David Pech.
Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 7-15
• Silicon nanowires and nanotrees: elaboration and optimization of new 3D architectures for high performance on-chip supercapacitors.
D. Gaboriau, D. Aradilla, M. Brachet, J. Le Bideau, T. Brousse, G. Bidan, P. Gentile and S. Sadki.
RSC Adv. 2016, 6, 81017-81027
• Solder-reflow resistant solid-state micro-supercapacitors based on ionogels.
Mylène Brachet, Dorian Gaboriau, Pascal Gentile, Sébastien Fantini, Gérard Bidan, Said Sadki, Thierry Brousse and Jean Le Bideau.
J. Mater. Chem. A 2016, 4, 11835-11843
• Thin films of pure vanadium nitride: Evidence for anomalous non-faradaic capacitance.
Oleksandr Bondarchuk, Alban Morel, Daniel Bélanger, Eider Goikolea, Thierry Brousse and Roman Mysyk.
J. Power Sources 2016, 324, 439-446
• Suitable Conditions for the Use of Vanadium Nitride as an Electrode for Electrochemical Capacitor.
Alban Morel, Yann Borjon-Piron, Raul Lucio-Porto, Thierry Brousse and Daniel Bélanger.
J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A1077-A1082
• Sputtered Titanium Nitride: A Bifunctional Material for Li-Ion Microbatteries.
Jérémy Freixas, Etienne Eustache, Pascal Roussel, Charlene Brillard, Dominique Deresmes, Nicolas Nuns, Nathalie Rolland, Thierry Brousse and Christophe Lethien.
J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A493-A500
• Toward fast and cost-effective ink-jet printing of solid electrolyte for lithium microbatteries.
P -E. Delannoy, B. Riou, B. Lestriez, D. Guyomard, T. Brousse and J. Le Bideau.
J. Power Sources 2015, 274, 1085-1090
• Titanium nitride films for micro-supercapacitors: Effect of surface chemistry and film morphology on the capacitance.
Amine Achour, Raul Lucio-Porto, Mohamed-Akram Soussou, Mohammad Islam, Mohammed Boujtita, Kaltouma Ait Aissa, Laurent Le Brizoual, Abdou Djouadi and Thierry Brousse.
J. Power Sources 2015, 300, 525-532
Prototypage de Supercondensateurs et Systèmes Hybrides
Les expériences menées en laboratoire se limitent souvent à des études de matériaux et d’électrodes à petite échelle (pile bouton, cellule Swagelok,…), de l’ordre de quelques mg ou du cm². Les matériaux les plus prometteurs doivent pouvoir être valorisés par une possibilité de les utiliser à plus grande échelle. C’est pourquoi, le transfert technologique est étudié dans la thématique « supercondensateurs », notamment pour des dispositifs fonctionnant en milieu aqueux. Des cellules de moyenne échelle, de type pouch cell (~10cm²) peuvent être réalisés au laboratoire afin d’optimiser les différentes étapes de mise en forme (formulation d’électrode, calandrage,…) et d’assemblage des électrodes (choix des collecteurs de courant, séparateur,…). Grâce au partenariat avec la plateforme de prototypage du RS2E, des cellules 18650 (format industrialisable) peuvent être assemblées pour ensuite être testées en laboratoire. Cette démarche peut s’appliquer à la fois sur des supercondensateurs symétriques (deux électrodes identiques), asymétriques (deux électrodes différentes) ou encore des systèmes hybrides (une électrode de supercondensateur, une de batterie).
Exemple de prototype en milieu aqueux
Thèses :
- Pierre Lannelongue « Oxydes polycationiques pour supercondensateurs à haute densité d’énergie volumique » (2015-2018)
Post-docs/CDD : David Brown (2016-2019)
Projets : ANR IVEDS (2015-2020), ANR SUPERCAPAC (2014-2018)
Collaborations : Dexmet, SWM Int, PRINCE International, LRCS, ICGM, LEMTA, RS2E
Références :
• Electrochemical study of asymmetric aqueous supercapacitors based on high density oxides: C/Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-delta and FeWO4/Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-delta.
Pierre Lannelongue, Steven Le Vot, Olivier Fontaine, Thierry Brousse and Frédéric Favier.
Electrochim. Acta 2019, 326, UNSP 134886
• A primed current collector for high performance carbon-coated LiFePO4 electrodes with no carbon additive.
C. Busson, M -A. Blin, P. Guichard, P. Soudan, O. Crosnier, D. Guyomard and B. Lestriez.
J. Power Sources 2018, 406, 7-17
• Direct Hybridization of Polymer Exchange Membrane Surface Fuel Cell with Small Aqueous Supercapacitors.
Ait Hammou S. Taleb, D. Brown, J. Dillet, P. Guillemet, J. Mainka, O. Crosnier, C. Douard, L. Athouël, T. Brousse and O. Lottin.
Fuel Cells 2018, 18, 299-305
• Perspective - A Guideline for Reporting Performance Metrics with Electrochemical Capacitors: From Electrode Materials to Full Devices.
A. Balducci, D. Bélanger, T. Brousse, J W. Long and W. Sugimoto.
J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A1487-A1488