Supercondensateur
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Introduction

Deux supercondensateurs

Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.

Ces composants permettent donc de stocker une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) d'énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement qu'une batterie.

Principe de fonctionnement

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

Le supercondensateur (Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie...) 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 (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) électrode-électrolyte, de sorte que l'on peut voir schématiquement un supercondensateur comme l'association série de deux condensateurs, 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 (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction (menant...) supérieure à celle de cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne...). En raison des lois d'association des condensateurs, la capacité de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) en série est toujours inférieure à la plus faible de ces deux capacités.

Condensateur électrolytique double couche.png

On sait que la capacité d'un condensateur (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est...) est essentiellement déterminée par la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) 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 (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les...) jouent le rôle de diélectrique (de permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du déplacement électrique (aussi appelé induction électrique ou...) ε). Cela correspond à une faible épaisseur e d'isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et...) (inférieure au nanomètre) ce qui entraîne que la capacité par unité de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) de ces composants est élevée : de 0,1 F. m-2 à 0,3 F. m-2

D'autre part, grâce à l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'un dépôt de charbon actif sur un film en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) qui présente des surfaces spécifiques S typiques de 2 000 à 3 000 m2 par gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.), la surface de contact entre électrode et électrolyte est immense, ce qui permet d'obtenir des valeurs de capacité considérables.

La tenue en tension (La tension est une force d'extension.) est limitée par la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant...) du solvant organique. Elle est actuellement de l'ordre de 2,5 V.

Commercialisation

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

  • supercapacités : société Batscap, 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.

Caractéristiques

  • La tension maximale par élément est actuellement d'environ 2,7 V (record détenu par Maxwell)
  • Ce type de condensateur n'est pas polarisé.
  • La résistance interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à...) est très faible ce qui autorise une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) ou une décharge avec de forts courants
  • En conséquence, le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de charge peut être de l'ordre de quelques secondes.
Comparaison des performances
(ordres de grandeur)
  Pile à
combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique...)
Batterie
Supercondensateur Condensateur
électrolytique
Densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) 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, tandis que la société EEStor affirme que ses prochains produits offriront une densité de plus 300 Wh/kg.

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