Fonctionnement et structure générale d’une micro- micro-batterie

Figure 90: Exemple de carte à mot de passe unique utilisant une micro-batterie

5.1.1 Fonctionnement et structure générale d’une micro-batterie

Un générateur électrochimique est un système capable de transformer

électrique. Si le système ne peut que transformer l’énergie chimique en énergie électrique c’est une pile. Si le système permet aussi la réaction inverse c’est un accumulateur, communément appelé par abus de langage « batterie ». De manière rigoureuse, une batterie est un groupement série ou parallèle de plusieurs accumulateurs [LEV09]. Le terme micro-batterie, que nous utiliserons dans ce mémoire fait donc référence à un micro-accumulateur comportant une surface active de quelques micromètres d’épaisseur dont les différents éléments sont préparés par des techniques spécifiques d’élaboration de couches minces.

Un générateur électrochimique est formé de deux électrodes séparées par un électrolyte qui est à la fois un conducteur ionique et un isolant électronique (fig.91). Des collecteurs de courant se trouvent au niveau de chaque électrode pour réaliser les contacts extérieurs.

Figure 91: Structure générale d’une micro-batterie

Historiquement, les premières micro-batteries envisagées utilisent une électrode négative de lithium métallique. C’est ce qui est utilisé pour les micro-batteries Enfilm™ High Cap. Cependant, les électrodes en lithium métallique sont endommagées lors de l’étape de refusion utilisée pour l’assemblage des composants sur circuit imprimé. Cette étape atteint des températures de 260°C, tandis que la température de fusion du lithium est de 181°C. Un autre type d’électrode négative doit donc être utilisé dans le cas des micro-batteries Enfilm™ HighTemp.

De nouveaux matériaux de l’électrode négative ont alors été développés pour contrer ce problème, en se tournant vers des matériaux d’intercalation. Ces

matériaux ont la particularité de former un réseau structural permettant l’insertion réversible de lithium au sein même de leur structure. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut alors être à la base d'un accumulateur Li-ion. Les deux électrodes (la négative comme la positive) peuvent utiliser ce type de matériaux et elles ont alors un rôle de réservoir de lithium. Les matériaux utilisés pour ces couches sont ainsi capables d’intercaler (et de désintercaler) des ions lithium dans leur structure permettant le mouvement d’ions lithium de l’une à l’autre des électrodes.

Pour l’électrode positive, on peut retrouver du V2O₅, du LiCoO₂, du TiS₂… L’électrode négative peut être en nitrure (SiTON, Zn3N2, Sn3N4), ou en alliage de Li avec du Si, Al, Ge, Sn… [LEV09] Enfin, l’électrolyte est solide. Il est couramment en LiPON (contenant du lithium, du phosphore, de l’oxygène et de l’azote) dans lequel peut être ajouté du bore, ou du silicium pour améliorer ses performances. [LEV09] La figure 92 présente le principe de fonctionnement d’une telle micro-batterie.

Figure 92: Principe de fonctionnement d’une micro-batterie au Li-ion

Pendant la charge, une différence de potentiels est appliquée entre les électrodes négative et positive, générant l’oxydation du matériau d’électrode positive. Dans le cas d’une micro-batterie au lithium, les ions lithium libérés par l’électrode positive vont traverser l’électrolyte solide et rejoindre l’électrode négative. Les électrons libérés vont rejoindre l’électrode négative par le circuit extérieur. Les ions lithium vont s’intercaler avec les électrons dans le matériau de l’électrode négative.

Durant la charge, à l’électrode négative, la réaction suivante se produit : <H> + Li⁺ +e^- →<HLi>

A l’électrode positive, la réaction est :

<MLi> → <M> + Li+

+e

-Lors de la décharge, la réaction inverse est imposée. L’électrode négative est

le siège d’une réaction d’oxydation conduisant à une libération d’électrons et d’ions Li⁺. Les ions traversent l’électrolyte pour s’intercaler dans le matériau de l’électrode positive. Les électrons libérés dans l’électrode négative transitent alors par un circuit extérieur pour participer à la réduction du matériau de l’électrode positive. Ce mouvement d’électrons peut alors permettre d’alimenter un système extérieur.

Durant la décharge, les réactions suivantes se produisent : A l’électrode négative: <HLi> → <H> + Li+

+e -A l’électrode positive: <M> + Li+

+e^- →<MLi>

La tension de la batterie dépend alors directement du couple de matériaux utilisés pour les électrodes négative et positive. A titre d’exemple, un couple Li/TiS2

fournira une tension de 2.5V alors que le couple Li/LiCoO₂ ou Li/LiMn₂O₄ fournira une tension de l’ordre de 4V. [PEC10]

5.1.2 Présentation technologique des micro-batteries EnFilm™ Comme indiqué dans la partie précédente, une micro-batterie est constituée d’une électrode négative, d’une électrode positive et d’un électrolyte. Ces trois couches sont superposées et sont déposées sur un substrat.

5.1.2.1 Les micro- atte ies E Fil ™ HighTe p

Pour les micro-batteries EnFilm™ HighTemp, le substrat est en silicium et se rapproche de ce fait des produits de la microélectronique. L’ensemble de la fabrication est réalisé sur plaquette comme pour la microélectronique standard. L’électrolyte est en LiPON™ (contenant du lithium, du phosphore, de l’oxygène et de l’azote). A chaque électrode, des collecteurs de courant sont utilisés pour permettre la prise de contact et le positionnement des fils avant encapsulation. En surface de puce, une couche de passivation est déposée pour protéger les couches actives de l’environnement. Les matériaux utilisés pour les électrodes, les collecteurs de courant et la passivation sont des données confidentielles.

L’ensemble est encapsulé dans un boitier plastique, « land grid array » (LGA) (fig.93). La structure d’un tel boitier est la même que celle d’un boitier BGA avec des plots de contacts à la place des billes de soudure à la périphérie du boitier.

En raison de la similitude avec les procédés de la microélectronique sur substrat de silicium, nous avons fait le choix, pour la suite, de parler de « puce » pour nommer les micro-batteries EnFilm™ HighTemp non encapsulées.

Figure 93: Boitier LGA

5.1.2.2 Les micro- atte ies E Fil ™ HighCap

La structure des micro-batteries Enfilm™ HighCap est plus éloignée de la microélectronique standard. Tout d’abord le substrat utilisé n’est plus du silicium mais du Mica, un minéral du groupe des silicates comportant majoritairement du silicate d’aluminium et de potassium. On retrouve néanmoins l’empilement standard de la micro-batterie avec les collecteurs de courant, les électrodes, l’électrolyte et l’encapsulation. L’électrode positive est en LiCoO2, et l’électrode négative en Li

métallique. L’électrolyte est en LiPON™. L’ensemble est protégé par une

passivation et encapsulé par une nouvelle couche de Mica. Une micro-batterie Enfilm™ HighCap est montrée en exemple en figure 94.

Figure 94: Micro-batterie Enfilm™ HighCap de dimension 25,4mm x 25,4mm

5.1.3 Les types de caractérisation électrique pour l’analyse de