CHAPITRE 5 : REALISATION DE DISPOSITIFS EN TOPOLOGIE FACE / FACE ET CONFIGURATION
I.3 Influence de la distance entre les électrodes de travail
Notre cellule de test en topologie face / face est constituée de 3 pièces. Ainsi, deux pièces centrales ont été fabriquées, chacune de ces pièces centrales générant un espacement entre les électrodes de travail de 17 mm ou 30 mm. Cela permet d’étudier l’influence de l’éloignement des électrodes de travail. Cette étude a été réalisée en utilisant une couche mince de 340 nm de VN déposée par pulvérisation cathodique à 350 °C et 5.10-3 mbar sur 300 nm de Si
3N4. Les tests ont été réalisés avec un électrolyte KOH concentré à 1M.
La spectroscopie d’impédance complexe est reportée sur la figure V.3A sous la forme d’un diagramme de Nyquist. Nous pouvons voir que les courbes obtenues pour les deux cellules (espacement de 17 mm et 30 mm respectivement) se superposent pour les basses fréquences. Lorsque l’on se focalise sur la zone des courbes à hautes fréquences, nous remarquons l’apparition d’un début de demi-cercle caractéristique. La figure V.3B décrit une PEIS typique d’un supercondensateur ainsi que son circuit équivalent. La résistance série équivalente peut être déterminée lorsque la fréquence tend vers l’infinie. Dans notre cas, quel que soit la fréquence haute (de 100 kHz à 500 kHz) le demi-cercle n’est pas visible, ce qui ne permet pas de déterminer précisément l’ESR du dispositif. Les films minces utilisés lors des deux mesures sont identiques, nous pouvons donc théoriquement considérer que la résistance de transfert de charge (RCT), représentant la résistance électrique ainsi que la résistance ionique du matériau ne change pas entre les deux dispositifs. Cette hypothèse nous permettrait de dire que l’ESR augmente à peu près de 4 Ω.cm-2 lorsque la distance lorsque l’écart séparant les deux électrodes est augmenté.
Figure V.3 (A) PEIS du dispositif face / face avec un écart entre les électrodes de 17 mm (noir) ou 30 mm (rouge) et (B) schéma équivalent utilisé pour le fit de la PEIS
Il est possible de déterminer l’évolution de la capacité surfacique du dispositif173 en fonction de la fréquence grâce à la PEIS suivant les équations V.1 et V.2. Ce formalisme est utilisable uniquement si le micro-supercondensateur présente un comportement capacitif. De ce fait, ce formalisme présente une certaine limite si un phénomène de diffusion est constaté lors de la mesure (impédance de Warburg) par spectroscopie d’impédance complexe. La capacité maximale peut alors être déterminée à basse fréquence. Dans les deux configurations, la capacité surfacique maximale est proche de 15 mF.cm-2 (Fig V.4). Un dispositif étant constitué de deux électrodes, la capacité est alors équivalente à la capacité de deux condensateurs branchés en série. Le dispositif étant symétrique, la capacité correspond alors à la moitié de la capacité d’une électrode (Cdispositifface/face = Célectrode / 2), ce qui est le cas ici car la capacité obtenue en montage trois électrode d’une électrode déposée avec les mêmes paramètres de dépôt est de 30 mF.cm-2.
𝐶 =−𝐼𝑚 (𝑍)
2𝜋𝑓.|𝑍|² Equation V.1
|𝑍|2= (𝑅𝑒(𝑍))2+ (−𝐼𝑚(𝑍))² Equation V.2
Figure V.4 Evolution de la capacité surfacique en fonction de la fréquence pour les deux configurations de dispositifs
La capacité surfacique maximum déterminée par GCPL est identique à celle déterminée par PEIS. A partir des équations permettant le calcul des densités d’énergie (Equation I.3) et des densités de puissance (Equation I.4), le diagramme de Ragone des deux dispositifs ont été tracés (Fig V.5). Ce diagramme est rapporté par unité de surface puisqu’il s’agit de la métrique de choix dans le domaine des dispositifs miniaturisés. Les capacités étant quasiment identique, les densités d’énergie rapportées à faible densité de puissance des deux systèmes sont superposables. Puis, plus la densité de puissance devient importante, plus la densité d’énergie du système utilisant la cellule 30 mm s’écarte de celle de la cellule de 17 mm. Cela peut être expliqué par l’ESR plus importante du dispositif où les électrodes sont séparées de 30 mm comme vu précédemment. Ce type de dispositif permet d’obtenir une densité d’énergie maximale de 0.8 µWh.cm-2 à une densité de puissance de 0.015 mW.cm-2 et une densité de puissance maximale de 0.8 mW.cm-2 avec une densité d’énergie de 0.15 µWh.cm-2.
Figure V.5 Diagramme de Ragone en fonction de différentes longueurs entre les électrodes en configuration face/face
Pour conclure cette étude, nous avons vu que l’écart entre les électrodes n’influence pas la capacité des dispositifs mais joue un rôle sur la résistance série équivalente du système. Cela a pour effet de diminuer la densité d’énergie du dispositif pour les hautes densités de puissance. Le KOH étant un électrolyte aqueux, sa conductivité ionique est relativement élevée. L’utilisation d’un électrolyte organique ou d’un liquide ionique possédant des conductivités ioniques accentuera l’augmentation de l‘ESR apportée par la distance. De ce fait, la distance séparant les électrodes d’un dispositif face / face doit être la plus petite possible.
D’un point de vue technique, afin d’avoir un système parfaitement équilibré, une limitation de la zone de test des deux électrodes est nécessaire. Cette cellule face / face est donc préférentiellement utilisable en comparaison d’une caractérisation effectuée dans un bécher. Le fait de devoir utiliser une électrode de référence et une contre électrode de platine oblige à avoir un trou d’au moins 12 mm dans la pièce centrale. Afin de ne pas fragiliser la pièce mécanique, des marges de 2.5 mm de chaque côté ont été prises. Réduire cette distance endommagerait la pièce centrale lors du montage des électrodes. Au totale, 17 mm d’écart est une distance minimale pour l’utilisation de cette cellule face / face. Elle est adaptée uniquement pour des mesures utilisant des électrolytes à haute conductivité ionique.
Afin d’augmenter les performances des dispositifs face / face, l’augmentation de l’épaisseur des électrodes de VN a été faite et les dispositifs ont été caractérisés en utilisant la cellule 17 mm.