Avec la miniaturisation des technologies, la recherche de systèmes énergétiquement auto- nomes et l’émergence du « tout connecté », un nouveau marché de niche est apparu, appelé Internet des Objets (Internet of Things en anglais, IoT). Ce marché a pour objectif de dé- velopper des systèmes d’analyse et de mesure, miniaturisés et interconnectés, permettant de rassembler de nouvelles masses de données sur le réseau internet et donc de nouvelles connaissances. Actuellement soutenues et développées par des géants du web et industriels tels qu’Intel, IBM, Google ou encore Bouygues, les applications d’une telle technologie sont nombreuses et en constante croissance. Comme le montre la Figure 2.2 ci-dessous, le nombre de systèmes participant à l’IoT augmente de façon quasi-exponentielle, et est estimé au nombre de 50 milliards pour l’année 2020.
Que ce soit dans le transport, l’environnement, le marketing ou encore l’automobile, il existe un véritable besoin de mesurer et analyser la majeur partie des données récoltées. Cependant comme toutes les nouvelles technologies, l’IoT amène un certain nombre de défis :
– Sur un plan éthique d’abord vis-à-vis de la surveillance du consommateur,
– Sur un plan environnemental aussi au vu de la production importante de systèmes électroniques (25 milliards d’unités attendues pour 2020),
Figure 2.2 Représentation graphique du nombre de systèmes participant à l’IoT ces 30 dernières années (adapté de [21])
Concernant le dernier point sur l’autonomie énergétique, deux axes de recherche sont ac- tuellement en cours. Le premier est basé sur la récupération d’énergie et notamment le développement de technologies photovoltaïques [22] et thermoélectriques [23], tandis que le second est tourné vers les systèmes de stockage d’énergie adaptés aux demandes de l’IoT. Plus précisément, il est important de développer un système de stockage miniaturisé et performant, avec une empreinte écologique diminuée. De plus, le coût, la masse et surtout le volume du système de stockage étant prépondérants sur la technologie complète, ces contraintes doivent être également prises en compte. Un système de stockage miniaturisé est appelé « micro-batterie », dont la taille est de l’ordre du mm. Son fonctionnement est équivalent à une batterie classique, cependant la limitation en volume et en masse des matériaux délivrant et stockant l’énergie nécessite de repenser le design et le fonctionne- ment du système. Une micro-batterie, tout comme une batterie classique, est constituée de deux électrodes et un électrolyte. Comme ce dernier est souvent de nature solide pour les micro-batteries il fait à la fois office de milieux de transport pour les ions et de séparateur. Afin de gagner en densité de puissance et d’énergie, les micro-batteries sont pensées afin de maximiser la surface spécifique et minimiser la longueur de diffusion des charges. Ainsi, les micro-batteries possèdent un design qu’il leur est propre, en 3D, qui peut être divisé en 4 catégories : Piliers interdigités, en tranchée, concentrique et apériodique.
Avec l’augmentation de la demande IoT, le marché des micro-batteries évolue, augmentant de 42% entre 2018 et 2020 (soit de 110 à 156 millions de $USD). Comme montré dans la Figure 2.3, les prévisions de marché pour les micro-batteries suivent l’évolution de l’IoT,
avec un marché atteignant les 631 millions $USD d’ici 2025.
Actuellement, les différentes technologies existantes pour les micro-batteries sous soumises à certains verrous technologiques. Le Tableau 2.4 ci-dessous les résume en précisant leurs avantages et inconvénients respectifs.
Figure 2.3 Évolution du marché des micro-batteries de 2018 à 2025 pour l’Amé- rique du nord, l’Europe, l’Asie-Pacifique et le reste du monde (adapté de [24])
Comme résumé dans ce tableau 2.4, ce sont les technologies de batterie rechargeable ainsi que les super-condensateurs qui peuvent être utilisées à court terme. Cependant, dans un objectif d’intégration et de facilité, les batteries tout-solide (possédant un électrolyte solide) ou « imprimables »(issues d’une impression 3D) représentent les candidats in- téressants au long terme pour le stockage d’énergie IoT. C’est dans cette optique que le domaine du stockage «micro» s’est développé, avec notamment le développement de super-condensateurs et batteries à base de lithium, sodium, à électrolyte liquide et solide et aux architectures 1D, 2D et 3D.
Figure 2.4 Sommaire des technologies d’alimentation pour systèmes IoT : avan- tages et inconvénients (adapté de [25])
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Les systèmes électrochimiques et électriques sont particulièrement étudiés pour les appli- cations IoT. La Figure 2.5 illustre par un diagramme de Ragone la puissance spécifique (représentant la puissance maximale rapportée à la masse du système) et l’énergie spé- cifique (représentant l’énergie maximale délivrée normalisée par la masse) de chacun de ces systèmes ainsi que l’objectif visé par la recherche et l’industrie. Les condensateurs représentent la première et la plus simple forme d’un dispositif de stockage d’énergie. Il en existe deux sortes, électrolytique et diélectrique, dont les capacités respectives sont de l’ordre du milliFarad (mF) et du microFarad (µF). Les super-condensateurs (également appelés condensateurs électrochimiques ou ultra-condensateurs) se composent de deux électrodes séparées par un séparateur perméable aux ions (comme le carton, la céramique, le verre, le plastique ou le papier) et un électrolyte qui relie ioniquement les deux élec-
trodes. Dans un super-condensateur, la charge est stockée soit par séparation de la charge à l’interface électrode/électrolyte (connue sous le nom de capacité électrochimique à double couche) ou par transfert de charge faradique via des réactions redox (connues sous le nom de pseudo-capacitance). Les batteries sont une autre classe de dispositifs de stockage d’énergie. Les batteries sont constituées de deux électrodes séparées par un électrolyte, tout comme les super-condensateurs. Cependant, les batteries ne stockent pas réellement d’énergie électrique. Les batteries sont des dispositifs qui stockent de l’énergie sous forme chimique à l’intérieur des matériaux actifs des électrodes. Plus précisément, c’est via les réactions d’oxydo-réduction ou l’intercalation des ions dans la structure de l’électrode qui convertira l’énergie chimique en énergie électrique et inversement. Les batteries lithium-ion fonctionnent sur ce principe, avec l’utilisation du lithium qui vient s’intercaler ou former des liaisons avec l’électrode. C’est notamment ce dernier système qui intéresse la présente thèse et qui sera explicité dans la prochaine partie. Parallèlement aux deux domaines de recherche les plus populaires axés sur les batteries et les super-condensateurs, ces dernières années, certains matériaux d’électrodes de type super-condensateurs ont été couplés à des matériaux de type batterie pour produire des systèmes de stockage d’énergie hybrides. Dans les dispositifs de stockage d’énergie hybrides, deux électrodes avec des comporte- ments de stockage de charge différents, par exemple un capacitif (super-condensateur) et un faradique (batterie), sont combinées ; la première sert de source d’alimentation tandis que la seconde sert de source d’énergie. Le comportement d’un système hybride ressemble à celui d’une batterie rechargeable avec une puissance et/ou une durée de vie plus éle- vée, ou d’un super-condensateur avec une énergie plus élevée. Une telle intégration offre des possibilités de progrès dans le domaine du stockage d’énergie et les performances de ces systèmes se situent généralement entre celles d’un super-condensateur et celles d’une batterie.