Les supercondensateurs remplaceront-ils les piles?

Le rechargement de votre téléphone portable ou de votre véhicule électrique en quelques minutes vous semblera attrayant. La technologie des supercondensateurs a le potentiel d’offrir ce type de performances que les batteries ne peuvent pas, et bien que les batteries ne cessent de s’améliorer, le développement n’est pas très rapide. Rappelez-vous simplement votre ancien mobile Nokia avec des batteries Ni-Cad et plusieurs jours d’utilisation avant de recharger votre téléphone. Aujourd'hui, nous avons des batteries au lithium-ion et nous devons charger nos téléphones tous les jours. Une meilleure option de stockage d'énergie est clairement nécessaire, et les supercondensateurs semblent être la seule technologie proche du remplacement de la batterie.

Comment fonctionnent les supercaps

Les batteries stockent l’énergie sous forme électrochimique, les réactions à l’intérieur de la cellule libèrent des porteurs électriques qui forment un courant électrique utilisable. Les supercondensateurs fonctionnent sur un principe très différent, stockant de l'énergie dans un champ électrique créé lorsque des charges de signes opposés sont séparées les unes des autres.

Fonctionnement d'un condensateur normal, image provenant de physics-and-radio-electronics.com.

Le fonctionnement d'un condensateur normal est illustré dans la figure à gauche. Deux plaques conductrices sont séparées l'une de l'autre par un milieu diélectrique. Lorsque la tension est appliquée aux plaques, les électrons s’accumulent sur une plaque et s’épuisent de l’autre (formant des trous positifs). Cette séparation des charges crée un champ électrique dans le diélectrique et ce champ est l'endroit où l'énergie est stockée. Une fois que le champ atteint sa force maximale, le condensateur est complètement chargé. Les électrons sont attirés par les trous. Ainsi, si nous leur donnons un chemin pour s'écouler, un courant électrique est établi et le condensateur commence à se décharger.

Fonctionnement d'un supercondensateur, image provenant de physics-and-radio-electronics.com.

Les supercondensateurs ont un design différent, comme le montre l'image de droite. Nous avons également deux électrodes généralement en carbone, un électrolyte et un séparateur qui permet le transfert des ions dans l'électrolyte. Lorsque la tension est appliquée aux électrodes, les ions positifs diffusent vers l'électrode négative et les négatifs vers l'électrode positive. La charge électrique s'accumule à la surface de chaque électrode, formant une double couche (d'où le nom condensateur électrique à double couche). Chaque double couche fonctionne comme le simple condensateur que nous avons expliqué précédemment, mais nous en avons un à chaque électrode. Par conséquent, le supercondensateur est effectivement constitué de deux condensateurs en série.

Mais pourquoi la capacité est-elle si grande dans un supercondensateur par rapport à un normal? La capacité (proportionnelle à l'énergie pouvant être stockée) est directement proportionnelle à la surface de la plaque et inversement proportionnelle à la séparation de la plaque. Dans un condensateur normal, la séparation des plaques est l’épaisseur du diélectrique – de l’ordre de quelques dizaines de microns alors que dans une supercaple, cette distance est de l’ordre du nanomètre (millième de micron). En outre, la technologie du carbone utilisée pour les électrodes de supercondensateur permet une surface beaucoup plus grande. Sa nature spongieuse rend la surface effective jusqu’à 100 000 fois supérieure à la surface carrée de l’électrode elle-même.

Comparer les batteries et les supercondensateurs

À l’heure actuelle, les piles et les supercaps sont complémentaires, la force de l’un étant la faiblesse de l’autre. Passons en revue les paramètres clés des supercondensateurs et des batteries Li-Ion:

  • Temps de charge: Les Supercaps excellent dans ce domaine, avec un temps de charge de 1 à 10 secondes, comparé à 10 à 60 minutes pour une charge complète de la batterie.
  • Durée de vie: Les batteries typiques ont 500-1000 cycles de charge-décharge alors que les supercondensateurs peuvent atteindre un million de cycles. En service automobile, les batteries ont une espérance de vie de 5 à 10 ans et les supercaps, de 10 à 15 ans.
  • Energie spécifique: Il s’agit de l’énergie totale stockée par unité de masse et constitue la principale faiblesse du supercondensateur, avec une moyenne de 10 Wh / kg, contre 100-200 pour les batteries. À titre de référence, nous disposons de 3 700 Wh / kg pour le carburant essence (en tenant compte du rendement de 30% d'un moteur à combustion interne). En ce qui concerne l'énergie par unité de volume, les supercondensateurs sont également loin derrière avec 15 Wh / L et 1200 Wh / L pour les batteries. Cela signifie qu'un Iphone 5 alimenté par un supercondensateur aura une épaisseur de 2 pouces.
  • Puissance spécifique: Étant donné que les supercaps peuvent charger très rapidement, elles peuvent également se décharger rapidement. Elles peuvent donc fournir une puissance pouvant atteindre 10 000 W / kg. Les batteries Li-Ion sont dans la gamme de 2000-3000 W / kg.
  • Coût: Étant une technologie relativement nouvelle, les supercondensateurs sont toujours chers, avec un coût d’environ 20 dollars par watt, tandis que les piles sont beaucoup moins chères dans la gamme allant de 0,5 à 1 dollar par watt.
Courbes de tension de charge / décharge, par Elcap, via wikimedia commons.

Les supercondensateurs présentent un inconvénient supplémentaire par rapport aux batteries: leur tension diminue de façon approximativement linéaire avec la charge stockée, tandis que les batteries conservent une tension pratiquement constante jusqu’à ce qu’elles soient presque épuisées. Cela signifie que des circuits supplémentaires sont nécessaires pour maintenir la tension à un niveau utilisable lors de l'utilisation de supercaps, en consommant un peu d'énergie au cours du processus. La tension typique des supercondensateurs est de 2,5 V à 2,7 V et, comme pour les piles, vous pouvez les connecter en série pour obtenir une tension plus élevée. Cependant, il existe de petites variations de capacité et de RSE (résistance série équivalente) parmi les supercondensateurs individuels, ce qui provoque une distribution de tension inégale. Une surtension d’un supercondensateur conduit rapidement à une défaillance; par conséquent, des circuits d’équilibrage sont nécessaires pour garantir que la tension sur chaque supercap est approximativement la même.

Des problèmes de sécurité

La technologie Lithium-Ion a eu des problèmes de sécurité dont nous avons tous entendu parler, le récent incident avec le Samsung Galaxy Note 7, et les 787 Dreamliners de Boeing mis à la terre en 2013 après qu’une batterie ait pris feu ne sont que deux exemples. Bien sûr, étant donné les millions de batteries disponibles, le taux de défaillance réel est incroyablement bas, ce qui n’est donc pas une technologie peu sûre. En ce qui concerne les supercondensateurs, ils ont une résistance interne bien inférieure à celle des batteries, de sorte qu'en cas de court-circuit, ils ne chauffent pas autant. Bien sûr, la technologie est encore en développement, de nouveaux matériaux et méthodes pouvant augmenter les capacités peuvent également augmenter les risques, mais à ce jour, nous pouvons dire que les supercondensateurs sont plus sûrs que les Li-Ions.

Quand pouvons-nous avoir un iPhone Supercap?

Les supercondensateurs ont déjà plusieurs applications de niche, avec un marché mondial estimé à 400 millions de dollars. La sauvegarde et la protection de la mémoire ont été l’une des premières applications, ainsi que pour l’alimentation de jouets électroniques. Ils sont également utilisés dans les panneaux solaires et dans les systèmes de récupération d'énergie à micro-énergie. À l'extrême extrémité du spectre de stockage d'énergie, les supercaps sont utilisées dans les véhicules électriques hybrides pour le freinage par récupération et pour fournir la puissance de démarrage. Le réseau électrique peut également en bénéficier, en utilisant des banques de supercaps comme tampon pour les surtensions, les lignes de transmission peuvent fonctionner à une capacité proche de 100%, augmentant ainsi l'efficacité.

Tout cela est une bonne nouvelle et les supercaps ont commencé à assumer certains rôles traditionnellement attribués aux batteries. Mais les supercaps sont toujours à la traîne par rapport aux batteries en termes de stockage. Les nouvelles avancées technologiques, telles que l'utilisation de graphène et d'autres composés, pourraient augmenter la capacité dans un avenir proche, faisant du supercondensateur une véritable option pour remplacer la batterie. Pour le moment, la fabrication reste coûteuse et la taille physique signifie que même si vous êtes prêt à dépenser pour le prix, vous ne pouvez toujours pas obtenir un remplacement raisonnable pour les mobiles Li-ion d'aujourd'hui. Peut-être que la prochaine tendance dans les smartphones sera un retour à la conception en brique, laissant la place aux supercaps pour utiliser leur charge rapide et leur longue durée de vie. Jusque-là, nous attendons que les progrès de la fabrication permettent d’intégrer de grandes plaques dans un espace plus petit.

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