Supercondensateur

Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.

Ces composants permettent donc de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement qu'une batterie.

Principe de fonctionnement

Majoritairement les supercondensateurs commercialisés sont réalisés selon le procédé double couche électrochimique d'où le sigle anglosaxon EDLC (electrochemical double layer capacitator).

Condensateur électrolytique double couche

Le supercondensateur est constitué de deux électrodes poreuses, généralement en charbon actif et imprégnées d'électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse (pour assurer la conduction ionique). La couche double électrique se développe sur chaque interface électrode-électrolyte, de sorte que l'on peut voir schématiquement un supercondensateur comme l'association de deux condensateurs en série, l'un à l'électrode positive et l'autre à l'électrode négative. La mobilité des anions, beaucoup moins hydratés, est plus grande que celles des cations. Ils se déplacent plus facilement dans la structure du charbon actif et forment une couche d'épaisseur plus faible, de sorte que l'on observe une valeur de capacité d'anode supérieure à celle de cathode. En raison des lois d'association des condensateurs, la capacité de l'ensemble en série est toujours inférieure à la plus faible de ces deux capacités. C'est aussi pour cette raison que le supercondensateur est polarisé, chaque électrode étant optimisée soit pour des anions, soit pour des cations.

On sait que la capacité d'un condensateur est essentiellement déterminée par la géométrie des armatures (surface spécifique S et distance e) et de la nature du ou des isolants (le diélectrique). La formule suivante est souvent utilisée pour en estimer la valeur :

$C=\varepsilon {S \over e}$

Ici, les molécules de solvant organique jouent le rôle de diélectrique (de permittivité ε). Cela correspond à une faible épaisseur e d'isolant (inférieure au nanomètre) ce qui entraîne que la capacité par unité de surface de ces composants est élevée : de 0,1 à 0,3 F/m².

D'autre part, grâce à l'usage d'un dépôt de charbon actif sur un film en aluminium qui présente des surfaces spécifiques S typiques de 2 000 à 3 000 m² par gramme, la surface de contact entre électrode et électrolyte est immense, ce qui permet d'obtenir des valeurs de capacité considérables.

La tenue en tension est limitée par la décomposition du solvant organique. Elle est actuellement de l'ordre de 2,7 V.

Caractéristiques

Supercondensateur de 1,5F

• La tension maximale par élément est actuellement d'environ 2,7 V
• Ce type de condensateur est polarisé.
• La résistance interne est très faible ce qui autorise une charge ou une décharge avec de forts courants
• En conséquence, le temps de charge peut être de l'ordre de quelques secondes.

Comparaison des performances
(ordres de grandeur)

	Pile à combustible	Batterie	Supercondensateur	Condensateur électrolytique
Densité de puissance (W/kg)	120	150	1 000 - 5 000	100 000
Densité d'énergie (Wh/kg)	150 - 1500	50 -1500	4-6	0,1

Concernant les densités d'énergie, elles sont comprises entre 0,5 et 10 Wh/kg pour les supercondensateurs du commerce. L'université du MIT en a réalisé un atteignant 30 Wh/kg, les firmes japonaises Advanced Capacitor Technologies et JEOL annoncent avoir développé un supercondensateur d'une densité d'énergie de 20 Wh/kg.

Commercialisation

Les supercondensateurs sont commercialisés sous différents noms et sous différentes appellations commerciales :

• supercapacités : société Blue Solutions, filiale du groupe Bolloré ;
• Ultracapacitors :
  • Ultracaps : société Epcos (ex Siemens-Matsushita) qui a annoncé l'arrêt de cette gamme de produit,
  • Goldcaps : société Panasonic,
  • Boostcap : société Maxwell Technologies,
  • DL Caps : société Nippon Chemi-Con.
  • EESU : société EEStor.

Applications

Les applications incluent la voiture électrique (comme tampon d'énergie entre le variateur de vitesse et les batteries), mais aussi tous les cas de stockage d'énergie électrique avec des conditions climatiques extrêmes (par exemple : démarreur de locomotives, contrôle d'orientation des pales des éoliennes).

Les supercondensateurs sont de plus en plus utilisés pour récupérer l'énergie du freinage (système KERS). Certaines voitures les utilisent pour alimenter leur système Stop & Start permettant un redémarrage automatique du moteur afin d'économiser du carburant.

Dans les courses automobiles d'endurance, Toyota utilise des supercondensateurs depuis 2012 pour récupérer de l'énergie lors des freinages. Une fois le supercondensateur chargé, le pilote peut booster sa voiture grâce à la puissance du supercondensateur qui va alimenter le moteur électrique de la voiture hybride.

Les supercondensateurs sont particulièrement intéressants pour les autobus qui font des arrêts fréquents et qui peuvent être équipés de gros supercondensateurs pour récupérer l'énergie du freinage. En mars 2013, la RATP a commandé 15 autobus hybrides diesel/supercondensateur permettant d'économiser jusqu'à 30% de carburant. En Chine, des autobus 100% électriques à supercondensateur circulent depuis 2009. Ils se rechargent à chaque arrêt de bus à l'aide d'un pantographe (comme pour un tramway). 30 secondes suffisent pour recharger le bus à 50% et il faut 80 secondes pour le recharger à 100%. En février 2013, le département des transports publics de Shanghai a décidé de s'équiper de 200 bus électriques dotés à la fois d'une batterie et de supercondensateurs.

Voir aussi

Articles connexes

• Condensateur (électricité)
• Capacité électrique
• Nanocondensateur
• Coltan