Projet ANR-14-CE08-0010 – FLexIBLE : Microgénérateur souple à base de nanofils ZnO et couche mince Lithium
Programme : Apport des nanosciences et nanotechnologies aux matériaux fonctionnels et biotechnologies (DS0305) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Guylaine POULIN-VITTRANT (Université de Tours)
Partenaires : Entreprise autre que TPE ou PME; Laboratoire public
Montant : 472798.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Ce projet fait partie intégrante des nouvelles politiques et stratégies de développement raisonné et durable pour l’énergie. Il s’agit ici de transformer l’énergie mécanique “gratuite”, disponible dans notre environnement, en énergie électrique stockable dans une batterie ultraplate et flexible. Les sources d’énergie mécanique visées sont les écoulements (vent, rivière), les vibrations parasites des machines tournantes ou des moyens de transport, le mouvement d’origine humaine (marche, mouvement des vêtements…). Les applications potentielles sont nombreuses, mais les plus ciblées actuellement sont les capteurs sans fil autonomes, placés notamment dans des endroits difficiles d’accès. Associer des microbatteries à ces capteurs permettrait de créer des microbatteries perpétuelles “à récupération d’énergie”. On réduira alors les coût d’entretien et les câbles utilisés habituellement pour l’alimentation des capteurs et l’envoi des données.
Le coeur de ce projet est donc de développer un prototype qui intègre, sur le même substrat flexible, un microgénérateur piézoélectrique (PG) constitué de nanostructures de ZnO, qui convertit cette énergie mécanique ambiante en énergie électrique. Cette énergie électrique sera transférée dans une batterie Lithium en couche mince (LiB), via un circuit électrique de conversion (PMB) dédié. L’efficacité de ce système intégré ne fonctionne que si l’ensemble de la chaîne de conversion est étudiée, c’est pourquoi nous proposons dans ce projet une étude intégrant les 3 sous-systèmes.
La géométrie du prototype est fixée à 5 x 2.5 cm2 sur substrat flexible (ISO 7816, norme de la carte à puce). Cela correspond aux dimensions des LiB sur substrat flexible conçues et fabriquées dans les laboratoires de ST Tours. Pour répondre aux spécifications de la LIB, le circuit de charge PG-PMB doit lui fournir une puissance moyenne de l’ordre de 150 µW. A ces échelles de puissance, les PMBs usuels ont un rendement de l’ordre de 55%, c’est pourquoi il faudra que le PG génère une puissance moyenne de 280 µW. Ce cahier des charges pour l’ensemble PG-PMB a été choisi en référence aux petites cellules photovoltaïques d’intérieur PowerFilm, de surface 27cm2 qui fournissent 200 µW, 6h par jour. Une LiB ainsi chargée suffit à alimenter 3 capteurs sans fils envoyant un signal RF toutes les 10 min.
Le projet FLexIBLE repose sur un consortium solide et de longue date: le GREMAN (laboratoire de l’Université de Tours et du CNRS) et l’entreprise ST Microelectronics, les 2 partenaires étant installés sur le même site. Le GREMAN a une expertise reconnue dans les domaines liés à la piézoélectricité, et travaille depuis 5 ans sur les nanostructures piézoélectriques à base de ZnO. Ces derniers travaux ont débuté par la modélisation des phénomènes physiques, puis ont été orientés vers un travail plus expérimental sur la croissance des nanostructures piézoélectriques, la fabrication de composants et leur caractérisation. La technologie de fabrication du PG sur substrat rigide étant maintenant maîtrisée au GREMAN, il faudra transférer cette technologie aux substrats flexibles dans le cadre de ce projet. Quant à STMicroelectronics, il s’agit d’un des leaders internationaux de la fabrication de composants électroniques. Un des axes prioritaires de la R&D à ST Tours étant les composants pour le contrôle de l’efficacité énergétique, l’entreprise se tourne de plus en plus vers la récupération d’énergie, incluant le photovoltaïque, le thermique et dernièrement l’énergie mécanique. Pour cela ST a déjà développé une série de PMBs (3 x 3 x 1 mm3) non flexibles à base de CMOS silicium en technologie BCD6s. De plus ST est un des pionniers dans la fabrication et la commercialisation de batteries Lithium ultrafines. Enfin, l’entreprise possède à Tours un laboratoire de packaging qui possède une expertise de report de composants sur substrats flexibles.