Supercondensateur

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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[1].

Montés en série-parallèle de plusieurs cellules, ils permettent une tension et un courant de sortie élevés (densité de puissance de l'ordre de plusieurs kW/kg) et stockent une quantité d'énergie intermédiaire entre les deux modes de stockage cités ci-dessus, et peuvent la restituer plus rapidement qu'une batterie. Ils sont donc souvent utilisés comme élément de stockage d’appoint d'énergie, en complément à des batteries ou à une pile à combustible[2]. Ils présentent notamment l'intérêt d'être efficace par très faible température[2].

Un supercondensateur est principalement constituée de collecteurs de courant (généralement en aluminium), d'électrodes (une anode et une cathode généralement en charbon actif imprégné dans un électrolyte organique ou aqueux et d'un séparateur qui isole les deux électrodes l'une de l'autre[2].

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Majoritairement les supercondensateurs commercialisés sont réalisés selon le procédé double couche électrochimique d'où le sigle anglosaxon EDLC (electrochemical double layer capacitator)[3].

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[modifier | modifier le code]

Supercondensateur de 1,5F
  • La tension maximale par élément est actuellement d'environ 2,7 V[4]
  • 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.

Du point de vue du rapport puissance spécifique/énergie spécifique, ils sont comparables aux volants d'inertie[2]

Commercialisation[modifier | modifier le code]

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

Applications[modifier | modifier le code]

Les applications incluent la voiture électrique (comme tampon d'énergie entre le variateur de vitesse et les batteries, ce qui peut aussi allonger la durée de vie de la batterie[5]), 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[6].

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[7]. 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[8].

Coûts et durée de vie[modifier | modifier le code]

Avec la production en série, leur coût a rapidement diminué, passant de 270 $ en 2000 à 27 $ en 2004 (soit un prix divisé par dix en quatre ans)[2].

Leur durée d'utilisation (+/-10 ans selon les fabricants) est en outre plus élevée que celle des batteries[2].

Recherche[modifier | modifier le code]

De nombreuses recherches portent sur ce sujet, dont en France autour du « Réseau français sur le stockage électrochimique de l'Énergie » (RS2E)[9].

La Recherche porte notamment sur

  • la conception et production de « microsupercondensateur » à électrode à film d'or microporeux[10].
  • de nouveaux matériaux susceptibles d'être utilisés comme électrodes de supercondensateurs (ex : Hydroxydes doubles lamellaires au cobalt[11] ;
  • l'augmentation de leur densité d'énergie sans trop diminuer leur densité de puissance élevée, par exemple grâce à une électrode capacitive classique de carbone activé et une électrode faradique ;
  • l'utilisation de structures tridimensionnelles, avec un test utilisant le diamant comme matériau d'électrode car présentant dans l'eau une fenêtre de stabilité électrochimique importante d'environ 3 V. Ce test a montré qu' « une architecture de diamant "en aiguilles" permet de multiplier par 10 la capacité surfacique par rapport à une architecture plane »[12] ;
  • le éveloppement de filières technologiques ad hoc[13].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Les supercondensateurs font un pas de géant, sur le site cnrs.fr
  2. a, b, c, d, e et f Gualous H, Gallay R & Berthon A (2004) Utilisation des supercondensateurs pour le stockage de l'énergie embarquée : applications transport. Revue de l'électricité et de l'électronique, (8), 83-90.
  3. (en) Transfert to conductive substrate, sur le site armee-du-futur.com
  4. record actuellement détenu par Maxwell
  5. Vulturescu, B., & Forgez, C. (2014, January). Résultats expérimentaux sur la durée de vie des batteries au plomb associées aux supercondensateurs. In Symposium de Génie Électrique 2014.
  6. Supercondensateur pour booster les voitures de course et récupérer l'énergie du freinage, sur le site supercondensateur.com
  7. Bus à supercondensateur : l'autobus hybride arrive à Paris, sur le site supercondensateur.com
  8. Le bus électrique à supercondensateur est adopté en Chine, sur le site supercondensateur.com
  9. Simon, P. (2015, May). Le stockage électrochimique de l’énergie: principes, applications et futurs défis. In Annales des Mines-Responsabilité et environnement (No. 2, pp. 67-72). FFE (résumé)
  10. Pastre, A., Raulin, K., Boé, A., Rolland, N., Cristini, O., & Bernard, R. (2014). Contrôle de la porosité dans des films d'or pour des micro-supercondensateurs. In 17èmes Journées Nationales du Réseau Doctoral en Micro-Nanoélectronique, JNRDM 2014 (pp. 3-pages)
  11. Vialat P (2014) Composition, structure et comportement électrochimique d'Hydroxydes Doubles Lamellaires au cobalt: vers des applications en tant que matériaux d'électrodes ; Thèse de doctorat en ingénierie / matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , soutenue à l'université de Clermont-Ferrand 2).
  12. Dabonot, A. (2014). Nouveaux matériaux pour les supercondensateurs: développement et caractérisation ; thèse de doctorat en ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble), faite en partenariat avec Laboratoire d'Innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) (laboratoire), Soutenue le 29-09-2014 à Grenoble (résumé)
  13. DINH, T. M. (2014). {https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01150481/document Développement de filières technologiques pour la réalisation de micro-supercondensateurs intégrés sur silicium] (Doctoral dissertation, Universite Toulouse III Paul Sabatier)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Dabonot, A. (2014). Nouveaux matériaux pour les supercondensateurs: développement et caractérisation ; thèse de doctorat en ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble), faite en partenariat avec Laboratoire d'Innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) (laboratoire), Soutenue le 29-09-2014 à Grenoble (résumé)
  • Gautier, L., Marrony, M., Zahid, M., Moçoteguy, P., Comminges, C., Fu, Q., ... & Larcher, D. (2014). Applications pour piles à combustible, accumulateurs, supercondensateurs. Les nanomatériaux et leurs applications pour l'énergie électrique, 111.
  • Simon, P. (2015, May). Le stockage électrochimique de l’énergie: principes, applications et futurs défis. In Annales des Mines-Responsabilité et environnement (No. 2, pp. 67-72). FFE (résumé).