La miniaturisation des appareils électroniques et la multiplication de leur fonctionnalités explique l'intérêt croissant porté aux microsources d'énergie telles que les microbatteries au lithium. Ces dernières sont principalement conçues pour une utilisation rechargeable, mais des systèmes non rechargeables peuvent également êtes envisagés pour certaines applications. Actuellement, la principale limitation de ces systèmes est leur capacité surfacique, n'excédant pas 200 µAh.cm-2. Afin d'obtenir une forte capacité surfacique, nous nous sommes intéressés à CuO, un matériau réagissant avec le lithium suivant un mécanisme de conversion, et présentant une capacité volumique théorique élevée (425 µAh .cm-2.µm-1). Des couches minces de CuO ont ainsi été préparées par pulvérisation radiofréquence à cathode magnétron sous atmosphère réactive (Ar + O2). L'influence des paramètres de dépôts (concentration d'oxygène, pression totale, température des substrats, distance cible-substrat, configuration de la cible) sur leurs propriétés chimiques, morphologiques et structurales a été étudiée. Ces dernières ont également été corrélées à leurs performances électrochimiques, obtenues avec un électrolyte liquide ou un électrolyte solide.

La miniaturisation des appareils électroniques et la multiplication de leur fonctionnalités explique l’intérêt croissant porté aux microsources d’énergie telles que les microbatteries au lithium. Ces dernières sont principalement conçues pour une utilisation rechargeable, mais des systèmes non rechargeables peuvent également êtes envisagés pour certaines applications. Actuellement, la principale limitation de ces systèmes est leur capacité surfacique, n’excédant pas 200 µAh.cm-2. Afin d’obtenir une forte capacité surfacique, nous nous sommes intéressés à CuO, un matériau réagissant avec le lithium suivant un mécanisme de conversion, et présentant une capacité volumique théorique élevée (425 µAh .cm-2.µm-1). Des couches minces de CuO ont ainsi été préparées par pulvérisation radiofréquence à cathode magnétron sous atmosphère réactive (Ar + O2). L’influence des paramètres de dépôts (concentration d’oxygène, pression totale, température des substrats, distance cible-substrat, configuration de la cible) sur leurs propriétés chimiques, morphologiques et structurales a été étudiée. Ces dernières ont également été corrélées à leurs performances électrochimiques, obtenues avec un électrolyte liquide ou un électrolyte solide. / The miniaturization of electronic components and their increasing number of functionalities induce a great interest for energy microsources such as thin films batteries. There are mainly developed for secondary systems, even if primary systems are also convenient for some applications. Currently, the main limitation is their specific capacity which does not exceed 200 µAh.cm 2.µm 1. In order to get a system having a high surfacic capacity, we focused on CuO, which react with lithium according to a conversion mechanism and exhibit a large theoretical capacity (425 µAh .cm-2.µm-1). CuO thin films were prepared by radiofrequency magnetron sputtering in a reactive mixture (Ar + O2). The influence of some deposition parameters (oxygen concentration, total pressure, substrate-target distance, the intentional heating or not of the substrates, target configuration) on their chemical, morphological and structural properties were investigated. The latter were also linked to their electrochemical performances, obtained with a liquid electrolyte or a solid electrolyte.

Le développement récent de systèmes électroniques miniaturisés est à l'origine de nombreuses études actuellement entreprises sur les microbatteries au lithium. Dans ce contexte technologique important, ce travail a porté sur l'étude des couches minces de V₂O₅ dopé ou non, préparées par pulvérisation ou co-pulvérisation cathodique, pour une utilisation comme électrode positive dans des microbatteries au lithium. Parmi les différents paramètres de dépôt, la pression partielle d'oxygène joue un rôle important sur les propriétés des couches minces de V₂O₅ pur. Pour de faibles pressions partielles d'oxygène (< 10 %), les couches minces sont amorphes avec une morphologie dense. Elles présentent une exellente tenue en cyclage, même sous de fortes densités de courant. Pour des pressions partielles d'oxygène plus élevées (≥ 10 %), les couches minces sont cristallisées et poreuses et sont caractérisées par une mauvaise tenue en cyclage. La morphologie a donc une forte influence sur la stabilité en cyclage. L'étude par spectroscopie XPS a permis de mettre en évidence la réduction partielle des ions V5+(en exposant) en V4+(en exposant) puis V3+(en exposant) lors de la décharge et leur réoxydation lors de la charge. Une meilleure réversibilité de ces processus d'oxydo-réduction est observée pour les couches minces amorphes, ce qui est à l'origine de leur bonne stabilité en cyclage. De plus, la formation d'une couche de passivation à l'interface couche mince/électrolyte liquide a été mise en évidence par XPS. En ce qui concerne les couches minces de V₂O₅ dopé à l'argent ou au fer, l'influence du dopage est faible lorsque les couches sont déposées en absence d'oxygène. En revanche, elle est plus significative pour une pression partielle d'oxygène de 14 %. Une augmentation de la capacité ainsi que, pour certains matériaux, une nette amélioration de la stabilité en cyclage sont observées. Dans le cas des couches dopées à l'argent, une étude par XPS a mis en évidence la participation additionnelle des ions Ag+(en exposant) aux processus d'oxydo-réduction.

La miniaturisation des composants électroniques implique une forte demande en microsources d'énergie. Les microbatteries au lithium sont tout à fait adaptées à ces applications. Cette étude porte sur des matériaux d'électrode positive et d'électrolyte solide pour une utilisation dans des microbatteries au lithium développées par la société HEF. Les couches minces ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron. L'étude de ces couches minces TiOySz par diffraction des rayons X et par spectroscopies Auger et Raman ont permis d'établir l'influence des conditions de dépôt sur leurs propriétés structurales, morphologiques et électrochimiques. Ce sont les couches épaisses, denses et très soufrées qui présentent les meilleures capacités de cyclage. Ces travaux pourront permettre un transfert du procédé de dépôt au niveau industriel. Un aspect plus théorique concerne l'utilisation d'un indice de formation d'une phase amorphe pour prédire le comportement d'un matériau d'électrode lors de l'insertion d'un grand nombre d'ions lithium. Enfin, des couches minces vitreuses ont été déposées sous atmosphère d'azote afin de les nitrurer et de développer un nouvel électrolyte solide pour les microbatteries tout solide.

Dans le but d’améliorer les performances des micro-accumulateurs au lithium, de nouvelles voies de dépôt, compatibles avec des géométries texturées, sont actuellement explorées. Au cours de ce travail de thèse, un nouvel électrolyte solide déposé par voie « humide » a été développé. Ce matériau, composé d’un liquide ionique et d’un sel de lithium confinés dans une matrice solide, a été synthétisé par polymérisation in-situ d’un oligomère diméthacrylate. Afin de définir leurs caractéristiques de conduction ionique, de nouvelles méthodes, comme le suivi de la photo-polymérisation par impédance in-situ ou encore la réalisation d’un nouveau design de cellules à base de peignes interdigités, ont été développées. De plus, le transfert du lithium a été mesuré par RMN diffusionnelle. Une diminution significative de la vitesse de diffusion des ions Li+ après la photo-polymérisation a ainsi été mise en évidence. La spectroscopie Raman a permis de démontrer que celle-ci est due à la complexation des ions par les chaines de poly(oxyde d’éthylène) de la matrice solide. En outre, grâce aux observations de différentes compositions, un mécanisme de diffusion mixte des ions Li+ par migration dans le liquide et par sauts dans le solide a été identifié. Par conséquent, ces résultats nous ont permis de définir une stratégie pour améliorer la diffusion des ions Li+ : l’ajout d’un copolymère monofonctionnel a permis de diminuer la densité de réticulation de la matrice solide et ainsi d’optimiser la mobilité des chaines polymères. En effet, les performances de cyclage dans des empilements de micro-accumulateurs complets ont été améliorées. A température ambiante, ces résultats se sont révélés très proches de ceux obtenus avec l’électrolyte solide standard LiPON. En conclusion, l’analyse établie a permis de comprendre les liens entre structure et performances électrochimiques, ce qui a permis de dégager les voies d’amélioration les plus prometteuses pour ce type d’électrolytes. / New deposition techniques compatible with making tridimensional geometries are currently being investigated with the aim of improving the performances of lithium microbatteries. This work focuses on the development of a new quasi-solid electrolyte deposited by a “wet process”. An ionic liquid-based membrane containing a lithium salt was prepared by the photo-induced polymerization of a dimethacrylate oligomer. New methods such as a new type of conductivity cell based on planar interdigitated electrodes to measure ionic conductivity as well as in-situ monitoring of photo-polymerization using impedance spectroscopy were used. Transport properties of lithium ion were measured by PGSE-NMR. Interestingly, a significant reduction of lithium ion mobility was observed after UV-curing while the total ionic conductivity only decreased slightly. This phenomenon is due to the formation of lithium ion complexes with ethylene oxide moieties of the solid matrix, evidenced by Raman spectroscopy measurements. Additionally, we have shown that the structures of the complexes depend on the salt concentration and a dual solid/liquid transport mechanism was suggested. Hence, in order to improve lithium ion diffusion, a co-polymer was added in an attempt to decrease the cross-linking density of the solid matrix thus improving its segmental motion. The cyclability of the all solid state micro batteries was indeed improved. Comparable performances with the standard solid electrolyte LiPON were obtained at room temperature. In summary, it was established that electrochemical performances of the solid state microbatteries depend to a certain extent on the structure of the polymer electrolyte. Therefore it is possible to find new ways in designing these types of electrolytes for further improvement.

La miniaturisation des appareils électroniques et la multiplication de leurs fonctionnalités conduisent à développer des microsources d’énergie adaptées, parmi lesquelles figurent les microbatteries au lithium. Malgré leurs excellentes performances, ces systèmes de stockage électrochimique tout solide restent toutefois limités en termes de capacité surfacique. Cette caractéristique étant intrinsèquement liée aux matériaux d’électrodes, nous avons choisi de nous intéresser à des couches minces de CuO, dont la capacité volumique théorique (426 µAh .cm-2.µm-1) est sensiblement plus élevée que celle des matériaux d’intercalation utilisés jusqu’à présent. Ce matériau réagit avec le lithium selon un mécanisme particulier, dit de conversion, qui induit la formation d’un système multiphasé et nanostructuré d’une grande complexité. Dans le cadre de ce travail, la compréhension des mécanismes électrochimiques et chimiques mis en jeu au cours du cyclage de couches minces d’oxyde de cuivre (CuO) a été l’objectif majeur. Celui-ci a nécessité une caractérisation fine du matériau actif d’électrode et des interfaces générées (interfaces solide/solide et interface solide/électrolyte). Ces études ont été principalement menées à partir de la Spectroscopie Photoélectronique à Rayonnement X (XPS), de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et d’une modélisation théorique exploitant les méthodes de la chimie quantique. Les propriétés chimiques et morphologiques des couches minces de CuO cyclées ont été corrélées à leur comportement électrochimique. Une forte influence de leur structure et de leur morphologie initiales a pu être ainsi mise en évidence / The miniaturization of electronic components and the increasing number of their functionalities lead to the development of suitable energy microsources, among which lithium microbatteries appear. Despite the excellent performances of these all-solid-state electrochemical power sources, one main limitation that remains is their surface capacity. Its value being intrinsically connected to the nature of electrode materials, we chose to focus on CuO thin films which are characterized by a theoretical volumetric capacity (426 µAh .cm-2.µm-1) in far larger than the one of conventional intercalation materials used today. Indeed, this material reacts with lithium according to a particular mechanism, referred as conversion reaction, inducing the formation of a multiphase nanostructured system with a high complexity. In the framework of this study, understanding of electrochemical and chemical mechanisms which take place during the cycling of copper oxide thin films (CuO) was the main objective. This one has required a fine characterization of the electrode active material and the generated interfaces (solid/solid interfaces and solid/electrolyte interface). These studies have been mainly carried out with X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Atomic Force Microscopy (AFM) and theoretical approaches based on quantum chemistry methods. The chemical and morphological properties of the cycled CuO thin films have been linked to their electrochemical behavior. An important influence of their initial structure and morphology was then evidenced.