Supercondensateurs : accumulateurs d'énergie du futur
2016/03/01 Oca, Laura - Energia Metatzeko Sistemen ikerketa-taldea, Mondragon Goi Eskola Politeknikoa, Mondragon Unibertsitatea | Barrena, Jon Andoni - Energia Metatzeko Sistemen ikerketa-taldea, Mondragon Goi Eskola Politeknikoa, Mondragon Unibertsitatea | Campillo Robles, Jose Miguel - Fisika SailaZientzia eta Teknologia Fakultatea (EHU) Iturria: Elhuyar aldizkaria
Comme on l'a vu au sommet climatique de Paris, presque personne ne nie le réchauffement climatique. Cela montre que la préoccupation pour l'environnement se développe constamment dans notre société. Malheureusement, l'exploitation sauvage des ressources naturelles limitées du monde continue. Selon les experts, dans cette décennie, nous dépasserons le pic du pétrole si nous ne l’avons plus dépassé. C'est-à-dire que l'extraction mondiale de pétrole se trouve actuellement autour de son maximum [1], qui va désormais diminuer. Donc, si nous ne voulons pas un avenir sombre pour les générations à venir, nous devons changer le modèle énergétique. Les sources d'énergie propres doivent remplacer les combustibles fossiles.
Ainsi, à l'avenir, l'utilisation de l'électricité augmentera en marge des combustibles fossiles. Ce changement aura des avantages non seulement du point de vue environnemental mais aussi des coûts, sécurité et efficacité. Par conséquent, des changements importants se produisent dans le modèle énergétique (production-distribution). Malheureusement, il y a un problème. Bien que la production d'électricité soit relativement simple, il n'est pas si facile de la stocker efficacement. La vérité est que ces dernières années, malgré les progrès dans les batteries et autres accumulateurs d'énergie, ils n'ont pas été suffisants pour répondre aux besoins qui nous arrivent. Nous avons besoin de nouveaux accumulateurs, plus propres et plus puissants.
Supercondensateurs
Dans ce contexte, il convient de souligner les supercondensateurs utilisés depuis longtemps (« En langage technique, les supercondensateurs en anglais sont appelés Electrochemical Double Layer Capacitor, EDLC. Cependant, en terminologie, il y a une grande confusion, car ils sont appelés ultracapacitors, electrochemical capacitors, boostcaps, goldcaps, etc.”) le développement expérimenté ces dernières années. En fait, jusqu'à présent, les supercondensateurs ont été principalement utilisés dans des applications de grande puissance. Cependant, d'autres applications peuvent être d'un grand intérêt pour leurs avantages techniques [2]: haute densité de puissance, rapides processus de chargement et de déchargement, capacité d'utilisation dans une large gamme de températures, durée de vie très longue et sans entretien.
Les supercondensateurs, comme les batteries, accumulent et transfèrent la charge dans les processus de stockage et de libération d'énergie. Dans le cas des batteries, des réactions chimiques se produisent dans les processus de chargement et de déchargement. Malheureusement, les processus chimiques ne sont pas totalement réversibles et avec le temps les batteries se dégradent et raccourcissent leur vie. Au contraire, les processus de chargement et de déchargement des supercondensateurs sont dus à un effet physique. Dans l'interface électronique-électrolyte apparaissent deux distributions de charge de signe opposé (voir figure 1), appelée double couche (en anglais double layer). Le scientifique allemand Hermann von Helmholtz décrit pour la première fois en 1853 la capacité à double couche. Cet effet est réversible et se produit beaucoup plus vite que les réactions chimiques. Par conséquent, les supercondensateurs peuvent être chargés et téléchargés rapidement. En outre, ils ne se dégradent pas, de sorte que leur vie professionnelle est très longue.
Malheureusement, par rapport aux batteries, la densité énergétique des supercondensateurs est faible. C'est-à-dire qu'ils accumulent moins de charge pour le même poids que l'accumulateur (voir tableau 1). En fait, l'accumulation d'énergie dans les supercondensateurs est proportionnelle à leur capacité, ce qui est proportionnel à la surface des électrodes [3]. Concrètement, les charges sont ajoutées en surface. Ainsi, à plus grande surface, plus grande capacité d'accumulation de charges. Pour augmenter la densité énergétique des supercondensateurs, il faut donc augmenter la surface des électrodes. En outre, la surface de la surface des électrodes limite également la capacité de transport de courant électrique, limitant ainsi la puissance maximale que peut fournir le supercondensateur. Par conséquent, l'augmentation de surface a un autre avantage, l'augmentation de la puissance.
Nanomatériaux
Ces dernières années, des nanomatériaux sont utilisés pour augmenter la densité énergétique des supercondensateurs. La structure microscopique des nanomatériaux augmente la surface des électrodes, ce qui permet aux supercondensateurs d'accumuler plus de charge. Du charbon actif a été utilisé sur les deux électrodes des supercondensateurs précédents. Le charbon actif est un matériau amorphe, très poreux. Au lieu de cela, on a commencé à utiliser des nanomatériaux [4] comme nanotubes de carbone, des électrodes à base de graphène, du charbon provenant de carbures (en anglais Carbide-Dérivés Carbon, CDC), etc.
Les nanotubes de carbone sont constitués d'atomes de carbone. Les atomes de carbone forment des hexagones en raison de leurs relations. Ainsi, dans les nanotubes de carbone muraux, les hexagones des atomes de carbone forment la surface du tube et on obtient les tubes d'un nanomètre de diamètre. L'alignement vertical de ces nanotubes améliore considérablement les propriétés physiques de l'électrode par rapport au charbon actif. Par exemple, la surface des électrodes est augmentée.
Le graphène a une structure similaire aux nanotubes de carbone, mais c'est une couche plate d'atomes de carbone. Dans le graphène, les atomes de carbone sont unis dans un plan comme un réseau de rayons. Le principal problème de l'utilisation de nanotubes de carbone et de graphène est son prix élevé en raison de la complexité de sa fabrication.
Supercondensateurs hybrides
Les besoins de la société incitent les chercheurs à chercher de nouveaux matériaux pour les électrodes. Comme nous l'avons vu, l'une des options est d'utiliser des nanomatériaux, mais ce n'est pas la seule. Une électrode au charbon actif conventionnel peut être remplacée par une électrode des batteries. En d'autres termes, on a commencé à utiliser une électrode conventionnelle utilisée dans les supercondensateurs et une autre électrode utilisée dans les batteries pour créer un nouvel accumulateur. Ces accumulateurs sont appelés supercondensateurs hybrides ou supercondensateurs asymétriques [5].
Les scientifiques utilisent diverses chimiques pour créer l'électrode des batteries de supercondensateurs hybrides [6]. Avec elles, une plus grande densité énergétique des supercondensateurs hybrides a été obtenue, ce qui permet de construire des accumulateurs plus petits. Parmi les compositions chimiques obtenues à ce jour, on peut citer le nickel hydroxyde nanoporeux et le charbon actif; le graphène par dessin laser obtenu à partir des couches de graphite (en anglais Laser-Scribing Graphene, LSG) et le dioxyde de manganèse; l'oxyde nanoporeux de métal dopé à partir de la technologie du moule à verre liquide; et l'oxyde de manganèse. Cette dernière chimie est la plus répandue sur le marché et est connue par les experts comme l'ion lithium condensateur (LIC).
Dans les supercondensateurs hybrides LIC, l'une des électrodes est comme un supercondensateur conventionnel de charbon actif. Cette électrode est une cathode (électrode positive) qui capture et libère les ions d'électrolyte dans les processus de charge et de décharge (voir figure 2). L'autre électrode est l'anode (électrode négative), qui est une électrode comme une batterie lithium-ion, formé de charbon dur pré-dopé au lithium. Cette électrode absorbe et libère les ions au lithium de l'électrolyte dans les processus de charge et de décharge. L'utilisation de l'anode lithifié augmente la densité énergétique en augmentant la tension de travail de l'accumulateur. Cependant, les caractéristiques de chargement et de déchargement de l'accumulateur sont similaires à celles d'un supercondensateur conventionnel. Cependant, la densité énergétique des supercondensateurs hybrides LIC est 5-7 fois supérieure à celle d'un supercondensateur conventionnel. C'est un grand avantage car il permet d'utiliser des accumulateurs de petite taille pour toute utilisation.
En outre, les supercondensateurs LIC ne présentent aucun problème dans les batteries lithium-ion. Par exemple, en l'absence de dépôts de métal lithium dans les processus de chargement et de déchargement des LICs, aucune dendrite n'est générée, il n'y a donc aucun risque de création de circuits courts. Le supercondensateur hybride se comporte comme un condensateur conventionnel dans les processus de chargement et de déchargement. En fait, les ions de l'électrolyte se déplacent dans le champ électrique produit par les électrodes, les introduisant et les extrayant, sans réaction redox dans les batteries. Ceci est évident dans le comportement de la tension du supercondensateur. Dans les processus de charge et de décharge d'une batterie la tension varie très peu, tandis que la tension d'un supercondensateur augmente pendant le processus de charge et diminue pendant le déchargement. En outre, les LICs peuvent contenir de grandes ampères et tensions sans danger. Cela évitera l'application du lithium métal sur les électrodes. Dans les processus rapides de charge et de décharge des batteries ion-lithium, le métal lithium est placé à l'intérieur en raison de réactions redox. Cela peut provoquer un réchauffement effréné et une tension accrue dans la cellule, pouvant se produire dans des cas extrêmes incendies et explosions. Par conséquent, les supercondensateurs évitent les risques des batteries lithium-ion.
Facteur de forme et futur
La forme typique des supercondensateurs présents sur le marché est cylindrique (voir figure 3) ou comme monnaie (en anglais coin cell). Cela peut être un problème car, en définitive, les supercondensateurs de cette façon ne peuvent pas être utilisés dans de nombreuses applications. C'est pourquoi les fabricants ont commencé à commercialiser des supercondensateurs plats pour les introduire lentement dans les applications utilisant les batteries. Ils sont de type pouch ou prismatiques. La forme et les dimensions des accumulateurs d'énergie sont très importantes pour leur déploiement dans les applications, malgré leur faible impact. Avec une petite forme plate, de nouveaux supercondensateurs peuvent être utilisés dans des zones où les supercondensateurs actuels ne peuvent pas être utilisés. En outre, cela a l'avantage que les cellules planes peuvent être fabriquées sur des lignes de production de batteries, réduisant ainsi les coûts de production. Enfin, les cellules plates peuvent être mieux emballées, ce qui augmente la densité énergétique et réduit les coûts. Comme les supercondensateurs ne sont pas suffisamment chauffés, ils peuvent être emballés plus efficacement que les batteries lithium-ion. En bref, ils n'ont pas besoin de refroidissement ni d'électronique de gestion des batteries (Battery Management System, BMS).
D'autre part, dans un supercondensateur, la majeure partie du prix correspond aux composants, les électrodes étant les plus chères entre eux. Cependant, toutes les innovations qui se produisent provoquent l'utilisation croissante des supercondensateurs. Et bien sûr, à mesure que la production augmente, les prix des accumulateurs diminuent. Avec la baisse des prix, son champ d'utilisation s'élargit considérablement jusqu'à s'étendre dans des domaines jusqu'ici impensables.
Enfin, si la densité énergétique et le rapport taille/coût sont améliorés, l'option d'application de ces supercondensateurs innovants sera plus large que jamais, facilitant le saut à une énergie plus propre. Les plus petits supercondensateurs peuvent alimenter de petits appareils électroniques, ainsi que des dispositifs de surcharge. Mais le but de cet article n'est pas de parler des champs d'application des supercondensateurs. Nous le laissons pour un autre.
Références
