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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Sixième partie. Entre sources et usages : stockage et vecteurs d'énergie

3. Les supercondensateurs

Thierry Brousse et François Béguin

Texte intégral

1Les supercondensateurs* sont des dispositifs électrochimiques de stockage de l’énergie de forte puissance spécifique*. Leur invention remonte à la fin des années 1950, lorsque les premiers brevets font état de systèmes de stockage d’énergie constitués de deux électrodes de carbone activé* de grande surface spécifique* immergées dans un électrolyte*. Lors de la charge du supercondensateur à l’aide d’un générateur de courant extérieur, la polarisation des deux électrodes conduit, à leur surface, à une accumulation de charges ioniques de signe opposé à celui de la polarité de l’électrode (figure 1). Cette accumulation de charges s’effectue à l’interface électrode/électrolyte dans la double couche électrochimique* dont l’épaisseur ne dépasse guère quelques nanomètres. La quantité de charges accumulées est directement proportionnelle à la différence de potentiel appliquée entre les deux électrodes. Le facteur de proportionnalité est la capacité du dispositif. Lors de l’utilisation du supercondensateur (en décharge), les ions accumulés en surface des électrodes retournent dans l’électrolyte jusqu’à l’obtention de la neutralité électrique. Les électrons* sont alors injectés de façon concomitante dans le circuit électrique externe afin de fournir de l’énergie pour l’application choisie.

2La faible épaisseur de la double couche électrochimique et la grande surface spécifique des électrodes en carbone activé sont les deux facteurs qui procurent à ces systèmes des capacités très élevées (exprimées en farad/g ou en farad/L) – par comparaison avec les condensateurs diélectriques traditionnels – ce qui leur vaut la dénomination de supercondensateurs. Il n’est pas rare de trouver des supercondensateurs commerciaux de 5 000 F dans un volume d’environ 1L. Ces valeurs sont supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles des condensateurs diélectriques traditionnels.

Caractéristiques

3Ces dispositifs sont surtout utilisés pour leur puissance spécifique, de l’ordre de 7-15 kW/kg, qui est très élevée par rapport à celle des accumulateurs (2 kW/kg pour les systèmes lithium-ion) ; et, contrairement à ces derniers, les supercondensateurs peuvent être chargés très rapidement. Son origine réside dans le mode de stockage des charges à la surface des électrodes (électrostatique) et dans l’utilisation de matériaux conducteurs électroniques comme les carbones activés. Cela confère aux supercondensateurs des résistances internes très faibles par rapport à celle des accumulateurs, et donc des temps de réponse potentiellement très courts (quelques centaines de millisecondes).

4Une autre caractéristique, et non des moindres, liée au stockage électrostatique, est leur excellente cyclabilité* qui peut atteindre plusieurs millions de cycles de charge/décharge sans altérations notables des performances, y compris à basse température. En revanche, l’énergie spécifique* de l’ordre de 5-10 Wh/kg est environ 40 fois moindre que celle des accumulateurs lithium-ion.

Fig. 1 – Représentation schématique d’un supercondensateur dans l’état chargé et déchargé. Les électrodes sont à base de carbone activé* de grande surface spécifique. La porosité* du carbone est visible sur le zoom montrant une photo de microscopie électronique à balayage

Applications

5Les caractéristiques reportées cidessus font des supercondensateurs des systèmes performants pour bon nombre d’applications qui requièrent de la puissance. La récupération d’énergie est une bonne illustration, que ce soit pour l’énergie de freinage dans les véhicules, ou encore l’énergie potentielle dans les grues portuaires. Ils sont aussi utilisés là où la durabilité et la fiabilité sont indispensables : pour l’ouverture d’urgence des portes de l’Airbus A380, ou dans les systèmes Start & Stop* de plus en plus implantés par les constructeurs automobiles. Les tramways utilisent également des supercondensateurs à la fois pour éviter le réseau de caténaires mais également pour lisser les appels de puissance, ce qui se traduit en pratique par des économies substantielles d’énergie. Une percée est également en train de s’opérer pour le démarrage des camions par temps froid. D’autres applications intègrent des supercondensateurs de plus ou moins grande taille : flash pour téléphone portable, outillages portatifs, etc.

Développements

6Nul doute que les supercondensateurs trouveraient un champ d’applications plus large si leur énergie spécifique* était plus élevée. Les efforts actuels visent donc principalement à l’augmenter avec deux axes principaux : la tension maximum admissible et la capacité spécifique. La tension peut être augmentée en jouant sur la formulation de l’électrolyte. L’utilisation des liquides ioniques* représente pour cela une voie intéressante. L’hybridation* des supercondensateurs (association d’une électrode de carbone avec une électrode d’accumulateur) est une autre voie.

Fig. 2 – Bus électrique à Shanghai, propulsé par des supercondensateurs. La charge se produit durant la montée des passagers en station

7De nouveaux types de carbones ont été développés ces dernières années afin d’accroître leurs capacités spécifiques, les carbones dérivés de carbures par exemple. Il est également possible d’accroître la capacité des carbones par la présence de groupes fonctionnels électroactifs en surface, ou encore en utilisant les propriétés rédox* d’espèces présentes dans l’électrolyte. Des matériaux dits « pseudocapacitifs » sont également étudiés en alternative au carbone. Ces matériaux ne stockent pas les charges de façon électrostatique, mais présentent en surface des réactions électrochimiques d’oxydoréduction*, comme les électrodes d’accumulateurs, mais très rapides et réversibles. Le dioxyde de ruthénium hydraté ou le dioxyde de manganèse sont des exemples pour lesquels les capacités spécifiques peuvent atteindre 5 à 10 fois celles des carbones activés. Les capacités volumiques sont également intéressantes en raison de la densité de ces oxydes, 4 à 7 fois plus grande que celle des carbones activés. Trois facteurs viennent pondérer ces performances : i) la durée de vie des matériaux pseudocapacitifs qui atteint rarement le million de cycles de charge/décharge ; ii) la puissance spécifique qui est souvent limitée par rapport aux supercondensateurs traditionnels ; iii) le fait que ces propriétés sont observées essentiellement en solution aqueuse, ce qui limite la tension des dispositifs par rapport aux électrolytes organiques.

Bibliographie

Références bibliographiques

• J.-C LASSEGUES – Supercondensateurs, traité de Génie électrique, Les Techniques de l’Ingénieur, 2001.

• F. BEGUIN et E. RAYMUNDO-PINERO – Nouveaux développements dans le domaine des supercondensateurs, Les Techniques de l’Ingénieur, 2008.

• L. GAUTIER et al.Les applications des nanomatériaux pour l’énergie électrique, Éditions Tec & Docs, 2012.

• T. BROUSSE et al.Des supercondensateurs recyclables et sécurisés, La lettre des techniques de l’ingénieur, 2007.

• P. L. TABERNA et P. SIMON – Supercondensateurs carbone/carbone à haute densité d’énergie - Apport des carbones microporeux, Les Techniques de l’Ingénieur, 2011.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Représentation schématique d’un supercondensateur dans l’état chargé et déchargé. Les électrodes sont à base de carbone activé* de grande surface spécifique. La porosité* du carbone est visible sur le zoom montrant une photo de microscopie électronique à balayage
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11104/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 120k
Légende Fig. 2 – Bus électrique à Shanghai, propulsé par des supercondensateurs. La charge se produit durant la montée des passagers en station
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11104/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 382k

Auteurs

Matériaux pour le stockage de l’énergie, Université de Nantes, Professeur, Polytech Nantes, IMN, Nantes.
thierry.brousse@univ-nantes.fr

Matériaux et systèmes électrochimiques de stockage de l’énergie, Professeur à l’Université Technique de Poznan (Pologne), Professeur Émérite, Université d’Orléans, CRMD, Orléans.
beguin@cnrs-orleans.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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