Etude des paramètres géométriques des micro-supercondensateurs interdigités

Dans un premier temps, une étude sur l’influence des paramètres géométriques des MSCs a été faite. Pour cela, plusieurs structures ont été utilisées dont les paramètres sont reportés dans le tableau V.2.

Tableau V.2 géométries des différent microdispositifs

Nom de l’échantillon

Nombre de doigts

Longueur d’un doigt (cm)

Largeur d’un doigt

(µm) Espacement (µm) ID 20-10 70 0.2 20 10 ID 100-10 17 0.2 100 10 ID 200-10 8 0.2 200 10 ID 200-20 8 0.2 200 20 ID 200-30 8 0.2 200 30

La longueur des doigts restant fixée à 2 mm, les paramètres modifiés sont la largeur des doigts et l’espacement entre les doigts.

Comme nous pouvons le voir sur la figure V.12 représentant la zone de test des micro- supercondensateur interdigités délimitée par le joint, une partie des collecteurs de courant, composés de VN, participent au cyclage des dispositifs. La surface des collecteurs dépendant des paramètres géométriques des MSC à électrodes interdigitées, elle va influencer les performances des dispositifs. Ainsi, cette surface est à prendre en compte lors la normalisation des paramètres mesurée par la surface des différents dispositifs.

Figure V.12 Zone de test délimité par un joint d’étanchéité montrant qu'une partie du collecteur de courant en VN participe à la caractérisation du micro-dispositif

La surface totale des dispositifs en fonction de la surface du dispositif et de l’estimation de la surface du collecteur de courant participant au cyclage est disponible tableau V.3.

Tableau V.3 Surface totale des différentes géométries de microdispositifs

Nom Surface collecteur (cm²) Surface microdispositif (cm²) Surface totale (cm²) ID 20-10 0.01672 0.028 0.04472 ID 100-10 0.01504 0.034 0.04904 ID 200-10 0.01336 0.032 0.04536 ID 200-20 0.01392 0.032 0.04592 ID 200-30 0.01448 0.032 0.04648

Afin de pouvoir comparer l’influence de la largeur de l’électrode et de l’espacement, les MSC doivent avoir une quantité de matière, donc la surface totale, la plus proche possible. Pour l’étude en fonction de la largeur des doigts les échantillons 20 - 10, 100 - 10 et 200 - 10 seront comparés. L’étude en fonction de l’espacement utilise les échantillons 200 - 10, 200 - 20 et 200 - 30 pour la comparaison.

II.4.1 Influence de l’espacement

Comme expliqué dans le paragraphe précédent, afin de visualiser l’influence de l’espacement entre deux doigts, les échantillons ayant une largeur de doigt de 200 µm ont été étudiés. Cette étude a pour but de déterminer l’espacement idéal afin d’avoir la plus faible ESR et donc une meilleure densité de puissance.

Une fois encore, le demi-cercle à haute fréquence n’est pas visible sur les PEIS (Fig V.13A). La capacité maximale est quasi-identique pour les 3 configurations de MSC et est aux alentours de 7.5 mF.cm-2_. Cela est dû au fait que contrairement au dispositif face / face, la configuration interdigitée est planaire et chaque électrode occupe la moitié de la surface. Un rapport 2 s’ajoute à la capacité d’un composant face / face pour obtenir le quart de la capacité d’une électrode. La capacité d’une électrode étant de 30 mF.cm-2_{, le quart de cette capacité correspond bien à la capacité obtenue ici. Une étude de} l’écartement de doigts d’un dispositif interdigité à base de RuO2 a montré une augmentation de ESR lorsque l’écart entre les doigts été élargi109_{. Le matériau ne changeant pas nous pouvons en conclure} que l’ESR de nos dispositifs évolue de la même façon.

Figure V.13 Etude par spectroscopie d’impédance complexe (PEIS) de l'étude en fonction de l'écartement des doigts

En faisant la même hypothèse effectuée lors de l’étude de dispositifs face / face à différent écartement, les électrodes étant identiques, la résistance de transfert de charge (RCT) ne devrait pas changée. Nous aurions donc une augmentation de de l’ESR, ce qui serait cohérent avec l’étude menée par le groupe de David Pech109 _{sur différentes configuration d’électrodes interdigitées de RuO}

2 ou il montre une augmentation de l’ESR avec l’augmentation de l’écart séparant les doigts des électrodes. Sur le diagramme de Ragone (Fig V.14), nous pouvons voir que les performances des trois MSC sont similaires. La capacité étant identique pour les trois dispositifs et la différence de d’ESR étant minime, la densité d’énergie ainsi que la densité de puissance ne varient quasiment pas car la capacité est identique et la différence d’ESR n’est pas grande. Ce type de dispositifs permet d’atteindre une densité d’énergie maximale de 0.35 µWh.cm-2 _{et une densité de puissance maximale de 3 mW.cm}-2_{. Si nous} comparons avec le diagramme de Ragone des dispositifs face / face avec différent écart, nous voyons que la densité d’énergie est inférieure mais que la densité de puissance est supérieure. Etant donné que la capacité est diminuée de moitié par rapport à un dispositif face / face, une perte en densité

d’énergie est normale. Le fait de réduire l’écart entre les électrodes a fait diminuer l’ESR ce qui a permis une augmentation de la densité de puissance.

Figure V.14 Diagramme de Ragone de MSC ayant des écarts entre les doigts différents

II.4.2 Influence de la largeur des doigts

Lors de la seconde étude, l’écart entre les doigts a été fixé à 10 µm et la largeur des doigts a été diminuée à 200, 100 et 20 µm respectivement. Suite à une erreur lors de la conception du masque utilisé pour la lithographie, le nombre de doigts du dispositif 100 - 10 est impaire, une électrode est constituée de 7 doigts et l’autre de 8, par conséquence, le dispositif n’est pas totalement symétrique. Cela peut être la cause de la variation illogique de l’ESR (Fig V.15). D’après l’étude publiée par David Pech109_{, l’élargissement des doigts d’un MSC à électrodes interdigitées permet une diminution de l’ESR} jusqu’à une largeur de 75 µm puis l’ESR ne change plus. Sur la figure IV.15, nous retrouvons bien une diminution entre une configuration 20 - 10 et 200 - 10.

Nous pouvons voir sur le diagramme de Ragone suivant (Fig V.16) que les densités d’énergie et de puissance pour des dispositifs en configuration 20 - 10 et 200 - 10 sont identiques alors que celles du dispositif 100 - 10 sont plus basses. Cela montre l’importance d’avoir une configuration symétrique lorsque les électrodes sont composées d’un matériau identique.

Figure V.16 Diagramme de Ragone de dispositifs interdigités ou la largeur de doigt a été variée

II.4.3 Conclusion de l’étude des paramètres géométriques

Les diagrammes de Ragone des différentes géométries sont disponibles en figure V.17A et B. Quel que soit la géométrie, les résultats sont quasiment identiques. La largeur des doigts ou l’espacement entre eux n’a donc pas d’impact important dans notre configuration, tout au moins dans la gamme de dimensions testées. Le fait d’utiliser un matériau conducteur ainsi qu’un électrolyte ayant une bonne mobilité ionique permet de s’affranchir des contraintes liées à la structure des MSC du moment que la quantité de matière reste constante.

Figure V.17 Diagrammes de Ragone en fonction de (A) l'espacement entre les doigts et (B) la largeur des doigts