- Les microbatteries du Fraunhofer IZM mesurent moins de 1 x 1 mm et fournissent entre 5 et 100 μA avec une capacité de 20 à 500 μAh.
- Elles utilisent du silicium pour la miniaturisation précise du boîtier et nécessitent un encapsulage hermétique pour protéger le lithium sensible.
- Ces microbatteries sont intégrées dans des dispositifs innovants comme le sac à dos électronique pour abeilles et les lentilles de contact intelligentes.
- La recherche inclut l’adaptation de matériaux à haute densité énergétique, la réduction des coûts et l’amélioration de la stabilité thermique.
Des microbatteries dont les dimensions sont inférieures à 1 x 1 mm sont actuellement produites à l'Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM) à Berlin.
Les batteries de ce type constituent la base des plus petits capteurs autonomes en énergie, des lentilles de contact intelligentes avec écran intégré et des aides auditives intra-auriculaires fonctionnant selon un nouveau principe. Elles sont fabriquées à partir des matériaux les plus récents à haute densité énergétique.
Batterie miniaturisée
Microbatteries de Fraunhofer IZM
L'Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM) mène des recherches orientées vers les applications et liées à l'industrie. Fondé en 1993, il réalise des travaux de développement pour l'industrie automobile, l'électronique médicale et industrielle, et même pour des entreprises textiles.
Le groupe de travail « Microbatteries » est dirigé par le Dr Robert Hahn et se concentre sur la miniaturisation extrême des systèmes électroniques. La base de ce travail est une microbatterie développée au Fraunhofer IZM. Le groupe de travail du Dr Hahn est l'un des groupes de recherche les plus importants au monde dans ce domaine.
Les microbatteries contribuent à ouvrir de nouvelles fonctionnalités résultant de la proximité des composants les uns par rapport aux autres et de la miniaturisation de l'ensemble du système. L'utilisation croissante de capteurs sans fil minuscules et autonomes sur le plan énergétique, par exemple, peut rendre la production et l'utilisation de divers produits plus efficaces et ainsi préserver les ressources.
Une microbatterie
Longueur et largeur : 0,5 à 10 mm, épaisseur : 0,2 à 1 mm
Intensité : 5 à 100 μA
Capacité de stockage de la batterie : 20 à 500 μAh
Tension : 1,8, 2,5, 3,7 V selon les électrodes utilisées
Puissance par centimètre carré : 1 à 3 mAh/cm2
Cycles de charge : 500
De l'énergie sur quelques millimètres
Les microbatteries sont des batteries lithium-ion de taille inférieure au millimètre qui ne peuvent plus être produites à l'aide des technologies de fabrication de batteries conventionnelles. La production est partiellement automatisée dans une salle blanche.
La clé de la miniaturisation réside dans le silicium. Il permet une précision de fabrication bien supérieure à celle d'autres matériaux. La technologie de structuration du silicium permet de produire des boîtiers de batterie très petits et à parois minces, de sorte que même avec des dimensions de l'ordre du millimètre, une grande fraction volumique reste disponible pour le matériau actif.
En revanche, la taille minimale des batteries conventionnelles et des piles boutons sans silicium est de l'ordre du centimètre. Au Fraunhofer IZM, le silicium sert de support et fait partie du boîtier de la batterie.
Défi : encapsulation hermétique de la batterie
Le lithium est très réactif. Si des molécules d'eau ou d'oxygène provenant de l'air ambiant pénétraient dans la batterie, le lithium réagirait avec ces molécules et ne serait alors plus disponible pour la batterie. Avec des batteries plus grandes, cela est parfois acceptable, mais avec les micro-batteries, chaque ion lithium compte. C'est pourquoi le boîtier d'une micro-batterie lithium-ion doit être hermétiquement scellé.
Pour ce faire, une couche métallique est déposée après l'assemblage de la base et du couvercle, puis structurée par lithographie afin que les deux bornes de la batterie soient accessibles pour être connectées par soudure par fil.
Les microbatteries alimentent les lentilles de contact, les moniteurs d'insectes et les aides auditives
Surveillance des insectes
Une microbatterie Fraunhofer IZM est un composant central du sac à dos électronique porté par les abeilles dans le cadre du projet de recherche collaboratif Sens4Bee. L'objectif du projet est d'obtenir des données sur l'impact du changement climatique et de l'agriculture intensive sur les abeilles et sur les causes de leur mortalité. La batterie est chargée par une cellule solaire et par récupération d'énergie. Une étiquette RFID, un enregistreur de données et quelques capteurs font également partie du sac à dos électronique. La batterie mesure 2 x 2 millimètres et le poids total du sac à dos est de dix milligrammes. Elle est fixée à l'aide d'un adhésif biocompatible directement au premier stade de développement de l'abeille, dans le respect du bien-être animal.
Une surveillance similaire des insectes est menée aux États-Unis avec les papillons monarques. Afin de trouver les raisons du déclin constant de la population observé depuis près de 10 ans, des équipes de recherche de l'université du Michigan ont collé des mini-ordinateurs équipés de micro-batteries intégrées sur le dos de papillons monarques individuels. Des capteurs enregistrent la lumière, la température et la pression atmosphérique pendant la migration.
Lentilles de contact auditives
Les dernières aides auditives peuvent être appliquées directement sur le tympan, à l'instar d'une lentille de contact pour les yeux. La start-up Vibrosonic l'a démontré avec sa lentille de contact auditive.
Elle se compose d'un actionneur qui agit directement sur le tympan. Les vibrations sont transmises aux osselets sans son aérien et donc de manière très efficace et sans distorsion. L'aide auditive a une consommation d'énergie si faible qu'une micro-batterie peut être utilisée. Actuellement, elle se place derrière l'oreille avec le microphone et est reliée par un fil à la lentille dans l'oreille.
La batterie est retirée et rechargée le soir. Dans le cadre d'un développement ultérieur, l'ensemble du système électronique, y compris la batterie, sera intégré à une cellule solaire sous forme de lentille de contact auditive et appliqué à l'intérieur de l'oreille. La recharge s'effectuera alors via un bouchon d'oreille par rayonnement infrarouge.
Lentille de contact avec écran intégré alimenté par batterie
La start-up américaine Mojo Vision a dévoilé un prototype de lentille de contact avec un écran intégré de 0,5 millimètre de diamètre, la Mojo Lens. L'écran est alimenté par une batterie développée en interne. Un modem, un processeur ARM CoreM0 et divers capteurs sont également intégrés à la lentille. L'écran monochrome affiche des informations qui complètent ce que l'utilisateur est en train de vivre. La Mojo Lens est donc qualifiée de lentille de contact à réalité augmentée (RA).
« Les dispositifs microélectriques qui fournissent des informations importantes sur les changements environnementaux et apportent une assistance médicale aux personnes n'existent que grâce aux microbatteries. »
Dr Robert Hahn - Chefdu groupe Microenergy Systems, Fraunhofer IZM
Recherche sur les matériaux des batteries, réduction des coûts et stabilité thermique
Recherche sur les batteries
Bien que la technologie des microbatteries se concentre sur la miniaturisation du boîtier, les derniers matériaux à haute densité énergétique doivent être utilisés ou adaptés aux besoins des microbatteries. Cela nécessite des recherches considérables. La recherche sur les batteries et les matériaux a connu un essor considérable, principalement en raison de l'intérêt pour l'électromobilité. Les chercheurs en batteries élargissent constamment la gamme des matériaux actifs pour les batteries.
Les exigences relatives à la taille des microbatteries sont très similaires à celles des batteries de traction : elles doivent présenter une densité énergétique et une densité de puissance élevées, ainsi qu'un nombre de cycles élevé. Dans le cas des microbatteries, les impulsions de courant élevées qui se produisent pendant la transmission de données et l'attente d'un processus de charge rapide, en particulier, entraînent des exigences de performance élevées.
Le choix de l'électrolyte
Les exigences de performance spécifiées ne peuvent actuellement être satisfaites qu'avec un électrolyte liquide. C'est pourquoi le Fraunhofer IZM utilise un électrolyte liquide, qui permet de réduire considérablement la résistance interne et d'augmenter la capacité d'ampérage par rapport à un électrolyte solide. Néanmoins, un électrolyte solide présenterait de grands avantages en termes de technologie de production. Le processus de fabrication actuel est assez complexe.
Dans ce processus, un micro-distributeur muni d'une aiguille fine passe d'une batterie à l'autre et remplit chacune d'elles de minuscules gouttelettes d'électrolyte liquide de l'ordre du nanolitre.
Cependant, la composition chimique de l'électrolyte liquide ne peut pas être la même que celle des batteries conventionnelles de grande taille. Elle doit être adaptée aux exigences de la microbatterie. Une pression de vapeur très faible, par exemple, est nécessaire pour que l'électrolyte de la première batterie ne se soit pas déjà évaporé au moment où la dernière est remplie.
Recherche axée sur la réduction des coûts
Des indentations sont gravées dans le silicium, dans lesquelles les matériaux de la batterie sont ensuite insérés. Comme le silicium n'est en réalité nécessaire que comme boîtier, cette approche est inefficace. Il serait possible de remplacer le silicium par des plastiques (encore) moins chers avec une couche isolante, telle qu'une couche d'étanchéité inorganique. Cependant, il est difficile de produire des plastiques avec une telle précision de l'ordre du micromètre les uns à côté des autres sur un substrat. Une possibilité serait le micro-embossage.
Recherche axée sur l'augmentation de la stabilité thermique des batteries
Dans de nombreuses applications des microcapteurs, les températures ambiantes sont élevées et une grande stabilité thermique des microbatteries est souhaitable. Cependant, les batteries ne supportent généralement pas des températures supérieures à environ 80 °C. Il existe des batteries spéciales pour une utilisation à haute température, mais elles ne sont généralement pas rechargeables.
Le Fraunhofer IZM mène donc des recherches sur des microbatteries rechargeables résistantes à la chaleur. Étant donné que l'encapsulation finale des microbatteries implique elle-même des étapes de processus à des températures élevées, les chercheurs espèrent que cela simplifiera également le processus de fabrication, entre autres.
Entretien avec le Dr Robert Hahn
Des microbatteries pour les applications à très faible consommation d'énergie de demain
Certaines des applications qui seront rendues possibles par les microbatteries n'existent pas encore. Le Dr Robert Hahn, de l'Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM), s'entretient avec RFID & Wireless IoT Global au sujet de projets fascinants, de défis difficiles et de l'avenir de la technologie des microsystèmes.
Entretien
1. Dr Hahn, vous et votre groupe de travail fabriquez des microbatteries. Quelle est l'étendue des applications de ces microbatteries ?
En réalité, elle n'est pas encore très large. Nos batteries mesurent environ 1 x 1 mm ou 0,5 x 2 mm, elles sont donc vraiment très petites. Elles ne peuvent être chargées qu'avec quelques microampères, peut-être 50 μA, pendant une courte période. Il n'existe pas encore beaucoup d'applications pour cette gamme.
2. Quelle en est la raison ?
Il n'existe aujourd'hui pratiquement aucune puce qui fonctionne avec une telle faible consommation d'énergie. Nous considérons que nous sommes des pionniers dans le développement de batteries, mais nous sommes également largement limités au domaine de la recherche en termes d'applications.
D'autres instituts de recherche et de grandes entreprises qui mènent des recherches se trouvent dans la même situation. Ils nous confient le développement de batteries pour leurs propres recherches et se préparent à de futures applications en grande quantité. Jusqu'à présent, nous produisons de petites quantités pour des applications très intéressantes.
3. Parmi les projets qui utilisent l'une de vos batteries, lequel vous enthousiasme le plus ?
Il s'agit sans aucun doute de Sens4Bee, le projet commun du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale de Leipzig et de la société Micro Sensys d'Erfurt. Dans le cadre de ce projet, les abeilles sont équipées d'un sac à dos de données qui intègre des capteurs et notre batterie en plus d'une étiquette RFID. En volant, les abeilles génèrent des données qui permettent de tirer des conclusions sur les effets du changement climatique et de l'agriculture intensive sur les abeilles, ce qui nous aide à comprendre et, à terme, à prévenir la mortalité des abeilles.
4. Avez-vous pu utiliser une batterie existante pour cela ou avez-vous dû apporter des modifications, par exemple en raison du poids de la batterie sur l'abeille ?
Le sac à dos électronique pèse environ 10 mg. Cela ne dérange pas l'abeille et, selon les experts, n'interfère pas avec son comportement. Les abeilles n'ont pas leur propre sens du poids. Elles peuvent collecter au maximum environ 60 mg de nectar, et elles le font même avec le sac à dos électronique.
Cependant, nous avons apporté des modifications à une batterie existante pour Sens4Bee. En effet, le boîtier de la batterie est normalement métallisé, ce qui a un effet très défavorable sur le fonctionnement de la bobine d'antenne qui fait partie du système. C'est pourquoi nous n'avons pas métallisé toute la surface de la batterie pour ce projet, mais seulement le périmètre de la zone de jonction. La batterie est chargée à l'aide de plusieurs cellules solaires connectées en série. Nous avons donc utilisé des matériaux d'électrode de batterie qui permettent d'obtenir une tension nominale faible. La tension normale de la batterie, qui est de 4 volts, serait tout simplement trop élevée dans ce cas, et nous aurions alors eu besoin d'un convertisseur de tension. De cette façon, nous pouvons nous en passer.
5. Comment les modifications spécifiques apportées à une batterie pour un projet influencent-elles le prix ?
De manière plutôt défavorable. Plus les quantités que nous produisons sont faibles, plus la batterie individuelle est chère. Nos batteries pour appareils auditifs, par exemple, coûtent environ 10 euros. C'est encore acceptable, mais il existe des applications pour lesquelles ce prix est tout simplement trop élevé. C'est pourquoi nous recherchons en permanence des moyens de produire des microbatteries à moindre coût. Outre nos efforts continus pour qualifier les derniers matériaux actifs pour notre technologie, cela constitue une partie très importante de notre travail.
6. Parlez-nous brièvement de votre travail quotidien : quels matériaux étudiez-vous et pourquoi ?
Il existe des matériaux à plus haute densité énergétique, ce qui permet d'augmenter la quantité d'énergie dans un même volume. Cela signifie que la batterie devient plus petite tandis que la puissance reste la même ou augmente. Nous aimerions utiliser de tels matériaux. Le lithium métallique est un matériau très approprié à cet égard. Nous aimerions l'utiliser pour l'anode car il présente la densité énergétique la plus élevée.
La difficulté réside toutefois dans la recharge, car des dendrites se forment pendant la décharge. Elles constituent l'un des principaux problèmes en matière de fiabilité des batteries. Les dendrites sont de fines aiguilles métalliques qui se développent sur la borne négative pendant la charge et finissent par pénétrer dans le séparateur, provoquant un court-circuit.
Le lithium est tout simplement très réactif. Cependant, en association avec des électrolytes à l'état solide, il pourrait fonctionner avec du lithium métallique, car la croissance des dendrites peut y être mieux contrôlée. Cependant, la résistance interne des batteries à électrolyte solide reste nettement supérieure à celle des batteries à électrolyte liquide, en particulier à température ambiante ou à des températures plus basses. Par conséquent, la conductivité du courant est insuffisante pour de nombreuses applications. Le titanate de lithium, en revanche, a une densité énergétique plus faible, mais une grande stabilité sur plusieurs milliers de cycles, ce qui nous amène souvent à l'utiliser comme électrode négative.
7. Il semble que vous deviez trouver le juste compromis entre la densité énergétique, la conductivité et la stabilité des matériaux actifs pour chaque application, pour l'une de vos batteries.
Oui, c'est effectivement le cas. Le titanate de lithium, par exemple, reste stable lors de décharges profondes. Cela est particulièrement avantageux pour la surveillance des insectes, et c'est là que nous l'utilisons. La batterie du projet Sens4Bee bee se recharge via une cellule solaire, mais elle peut ne pas fonctionner pendant plusieurs jours consécutifs s'il fait nuageux.
Une batterie lithium-ion avec du graphite comme électrode négative tomberait alors en panne, tandis qu'une batterie au titanate de lithium tiendrait quelques jours à 0 volt. C'est un avantage particulier pour les applications de capteurs où tout ne peut pas être contrôlé. Il n'existe pas de batterie unique pour toutes les solutions. Il faut examiner les options pour chaque application.
Merci beaucoup !
