Relations structures/propriétés de matériaux d'électrodes en couches minces pour applications microbatteries Lithium-ion

Structure/property relationships of electrode materials deposited in thin films for lithium-ion microbattery applications

• Auteur / Autrice : Clément Leviel
• Direction : Pascal Roussel, Christophe Lethien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Rita Baddour-Hadjean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antonella Iadecola
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Liliane Demourgues-Guerlou, Valérie Pralong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spinelles

Pulvérisation cathodique

Matériaux

Microélectrodes

Couches minces

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Microbatterrie

Thin film

Microbattery

Characterisation

LiMn1.5Ni0.5O4

Magnetron sputtering

Lithium-Ion

Résumé

L'émergence de nouvelles technologies électroniques miniatures et autonomes entraîne une demande de microdispositifs efficaces pour le stockage de l'énergie. Le développement des microbatteries Li-ion en couches minces est une voie intéressante pour l'alimentation d'objets connectés, car leur méthode de fabrication est compatible avec les techniques utilisées dans l'industrie de la microélectronique. Ces microbatteries pourront donc être aisément intégrées aux dispositifs. Cette thèse est principalement consacrée à l'analyse d'un matériau d'électrode prometteur de type spinelle, LiMn1.5Ni0.5O4 (LMNO), développé en couche mince par pulvérisation magnétron RF sur substrat Si/Al2O3/Pt. LMNO est une électrode à haut potentiel de travail (ELi/Li+ = 4,8V) avec une bonne capacité de décharge expérimentale (60µAh.cm-2.µm-1) très proche de la valeur théorique (65µAh.cm-2.µm-1) et est capable de supporter un cyclage à grande vitesse. Afin d'améliorer les performances des microbatteries, il est crucial de comprendre les différents mécanismes mis en jeu, mais aussi leur évolution au cours des différents cycles de charge/décharge. Il est également important de s'intéresser à l'homogénéité des couches minces à l'échelle du wafer dans le cas d'un éventuel transfert industriel de nos résultats à plus grande échelle permettant d'envisager une fabrication collective non pas d'un seul dispositif mais de plusieurs dizaines, centaines ou milliers (dépendant de la taille du wafer et/ou du microdispositif)

The emergence of new miniature and autonomous electronic technologies leads to a request of efficient microdevices for energy storage. The development of thin film Li-ion microbatteries is an interesting way to power connected objects, as their manufacturing method is compatible with the techniques used in the microelectronics industry. These microbatteries can thus be easily integrated into devices. This thesis is mainly focused on the analysis of a promising spinel-like electrode material, LiMn1.5Ni0.5O4 (LMNO), developed in thin film by RF magnetron sputtering on Si/Al2O3/Pt substrate in our team. LMNO is a high working potential electrode (ELi/Li+ = 4.8V) with a good experimental discharge capacity (60µAh.cm-2.µm-1) very close to the theoretical value (65µAh.cm-2.µm-1) and is able to withstand high speed cycling. In order to improve the performance of microbatteries, it is crucial to understand the different mechanisms involved, but also their evolution during the different charge/discharge cycles. It is also important to focus on the homogeneity of thin films at the wafer scale in the case of an industrial transfer of our skills.