1. Atomic Layer Deposition of Functional Layers for on Chip 3D Li-Ion All Solid State Microbattery
- Author
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Manon Létiche, Vincent De Andrade, Arnaud Demortière, Laurence Morgenroth, Jeremy Freixas, David Troadec, Etienne Eustache, Christophe Lethien, F. Vaurette, Pascal Roussel, Thierry Brousse, Pascal Tilmant, Matériaux divisés, interfaces, réactivité, électrochimie (MADIREL), Aix Marseille Université (AMU)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes (EPUN), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes (EPUN), Université de Nantes (UN), Laboratoire réactivité et chimie des solides - UMR CNRS 7314 (LRCS), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Educations et Pratiques de Santé (LEPS), Université Paris 13 (UP13)-Université Sorbonne Paris Cité (USPC)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 (UCCS), Université d'Artois (UA)-Centrale Lille-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Nantes université - UFR des Sciences et des Techniques (Nantes univ - UFR ST), Nantes Université - pôle Sciences et technologie, Nantes Université (Nantes Univ)-Nantes Université (Nantes Univ)-Nantes Université - pôle Sciences et technologie, Nantes Université (Nantes Univ)-Nantes Université (Nantes Univ)-Nantes Université - Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes (Nantes Univ - EPUN), Nantes Université (Nantes Univ)-Nantes Université (Nantes Univ), Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes (EPUN), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Sorbonne Paris Cité (USPC)-Université Paris 13 (UP13), Centrale Lille Institut (CLIL)-Université d'Artois (UA)-Centrale Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille, Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), and Lethien, Christophe
- Subjects
Materials science ,[SPI] Engineering Sciences [physics] ,[SPI.NANO] Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics ,chemistry.chemical_element ,Context (language use) ,Nanotechnology ,3D microbattery ,02 engineering and technology ,Substrate (electronics) ,010402 general chemistry ,01 natural sciences ,Atomic Layer Depostion ,[SPI]Engineering Sciences [physics] ,Atomic layer deposition ,Fast ion conductor ,General Materials Science ,[SPI.NANO]Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics ,Thin film ,ComputingMilieux_MISCELLANEOUS ,Renewable Energy, Sustainability and the Environment ,021001 nanoscience & nanotechnology ,Surface energy ,0104 chemical sciences ,solid electrolyte ,chemistry ,double microtube ,[PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci] ,Lithium ,0210 nano-technology ,Layer (electronics) - Abstract
Nowadays, millimeter scale power sources are key devices for providing autonomy to smart, connected, and miniaturized sensors. However, until now, planar solid state microbatteries do not yet exhibit a sufficient surface energy density. In that context, architectured 3D microbatteries appear therefore to be a good solution to improve the material mass loading while keeping small the footprint area. Beside the design itself of the 3D microbaterry, one important technological barrier to address is the conformal deposition of thin films (lithiated or not) on 3D structures. For that purpose, atomic layer deposition (ALD) technology is a powerful technique that enables conformal coatings of thin film on complex substrate. An original, robust, and highly efficient 3D scaffold is proposed to significantly improve the geometrical surface of miniaturized 3D microbattery. Four functional layers composing the 3D lithium ion microbattery stacking has been successfully deposited on simple and double microtubes 3D templates. In depth synchrotron X-ray nanotomography and high angle annular dark field transmission electron microscope analyses are used to study the interface between each layer. For the first time, using ALD, anatase TiO2 negative electrode is coated on 3D tubes with Li3PO4 lithium phosphate as electrolyte, opening the way to all solid-state 3D microbatteries. The surface capacity is significantly increased by the proposed topology (high area enlargement factor – “thick” 3D layer), from 3.5 μA h cm−2 for a planar layer up to 0.37 mA h cm−2 for a 3D thin film (105 times higher).
- Published
- 2016