L’objectif de cette thèse est de développer la caractérisation et le diagnostic non destructif de microbatteries « tout solide » par spectroscopie d’impédance électrochimique. Ces travaux s’appuient sur des microbatteries commerciales EnFilmTM EFL700A39, basées sur une architecture lithium métal Li/LiPON/LiCoO2. La caractérisation unitaire des couches actives, constituant ces microbatteries, a permis d’une part, d’identifier les principales propriétés de transport des ions Li+ dans l’électrolyte solide, et d’autre part, a permis de mettre en avant la présence de zones plus ou moins conductrices dans la couche active LiCoO2, pouvant engendrer des limitations électroniques et/ou ioniques lors du fonctionnement de la microbatterie. L’étude des microsystèmes complets par spectroscopie d’impédance électrochimique a ensuite été effectuée en fonction du taux de lithiation de l’électrode positive, du nombre de cycles, et du vieillissement calendaire de la microbatterie. Les résultats obtenus ont donné naissance à un circuit électrique équivalent permettant de modéliser le comportement (souvent indépendant) des différentes couches actives durant l’utilisation d’une microbatterie. Cette modélisation permet en outre de cibler les origines éventuelles de défaillances, soit après la fabrication, soit au cours du vieillissement d’une microbatterie. Les travaux additionnels effectués sur des systèmes lithium free (LiCoO2/LiPON/Cu) révèlent, quant à eux, une forte interaction électrochimique entre le lithium et le collecteur de cuivre (partiellement oxydé) et mettent en évidence l’importance capitale des premiers cycles de la cellule pour ses performances ultérieures / The goal of this work is to develop characterization and non-destructive diagnosis of all-solid-state lithium microbatteries, essentially by means of electrochemical impedance spectroscopy. This work is based on commercial microbatteries EnFilmTM EFL700A39, built with the lithium metal architecture Li/LiPON/LiCoO2. Firstly, the elemental characterization of active layers allowed us to identify the main properties of the ionic motion in the solid electrolyte layer. Secondly, characterization of the positive electrode (LiCoO2) revealed the existence of more or less conductive areas inside the layer. Theses areas can cause ionics or electronics limitations during battery operation. The study of the entire microsystems by electrochemical impedance spectroscopy was then performed according to lithiation rate (SOC), number of cycles, and battery aging. The results obtained allowed the building of an electrical equivalent circuit for modeling the behaviour of the different active layers of a microbattery in use. This model also allows targeting the origins of any failures after manufacturing or upon microbattery aging. Additional works on lithium free systems (LiCoO2/LiPON/Cu) reveals a strong electrochemical interaction between in situ deposited lithium and copper current collector (partially oxidized) and highlight the critical importance of the very first cycles of the cell for subsequent performance

Pour répondre aux besoins de la miniaturisation des systèmes électroniques nomades, le monde du stockage de l’énergie a dû se réinventer et proposer des solutions innovantes permettant de répondre à ces problématiques. Parmi ces solutions, les microbatteries tout-solide « lithium-free » offrent de nombreux avantages (intégration facilité, aspect sécuritaire), malgré une cyclabilité encore limitée. L’objectif de cette thèse consiste à étudier ces microbatteries LiCoO2/LiPON/Cu, notamment par caractérisation électrochimique, pour en comprendre les mécanismes et proposer des solutions permettant d’en améliorer les performances. L’étude des couches unitaires de ce système a permis d’identifier les propriétés principales de chaque film mince et de connaitre la composition chimique et structurale de ces couches. Puis, la mise en place d’un protocole de charge servant à améliorer considérablement la tenue en cyclage a été décryptée à l’aide de la spectroscopie d’impédance électrochimique et de l’XPS. Ce travail a permis la compréhension fine des mécanismes physico-chimiques présent à chaque étape et de décrire un scénario quant au fonctionnement de ce protocole. Par ailleurs, la compréhension de ces phénomènes a été utile pour proposer des solutions permettant d’augmenter encore la tenue en cyclage des microbatteries Li-Free, pour que celle-ci puisse atteindre une capacité initiale et une cyclabilité équivalente aux microbatteries au lithium métallique, utilisé conventionnellement en microélectronique. / To meet the needs of the miniaturization of mobile electronic systems, the world of energy storage has had to reinvent itself and propose innovative solutions to meet these problems. Among these solutions, all-solid "lithium-free" microbatteries offer many advantages (easy integration, safety aspect), despite their still limited cyclability. The objective of this thesis is to study these LiCoO2/LiPON/Cu microbatteries, in particular by electrochemical characterization, in order to understand their mechanisms and propose solutions to improve their performances. The study of the unit layers of this system made it possible to identify the main properties of each thin film and to know the chemical and structural composition of these layers. Then, the implementation of a charging protocol to significantly improve cycling performance was decoded using electrochemical impedance spectroscopy and XPS. This work allowed the detailed understanding of the physico-chemical mechanisms present at each stage and to describe a scenario as for the operation of this protocol. In addition, understanding these phenomena has been useful in proposing solutions to further increase the cycling resistance of Li-Free microbatteries, so that it can reach an initial capacity and cyclability equivalent to lithium metal microbatteries, used conventionally in microelectronics