Supercondensateur

Un supercondensateur est un condensateur de technologie spécifique permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.

Ces composants permettent par conséquent de stocker une quantité 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 est constitué de deux électrodes poreuses, le plus souvent en charbon actif et imprégnées d'électrolyte, qui sont scindées par une membrane isolante et poreuse (pour assurer la conduction ionique). La couche double électrique se développe sur chaque interface électrode-électrolyte, de sorte qu'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, nettement moins hydratés, est plus grande que celles des cations. Ils se déplacent plus aisément dans la structure du charbon actif et forment une couche d'épaisseur plus faible, de sorte qu'on observe une valeur de capacité d'anode supérieure à celle de cathode. À cause des lois d'association des condensateurs, la capacité de la totalité en série est toujours inférieure à la plus faible de ces deux capacités.

On sait que la capacité d'un condensateur est principalement 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 fréquemment utilisée pour en estimer la valeur :

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 F.  m^-2 à 0, 3 F.  m^-2

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 énormes.

La tenue en tension est limitée par la décomposition du solvant organique. Elle est aujourd'hui de l'ordre de 2, 5 V.

Caractéristiques

• La tension maximale par élément est aujourd'hui d'environ 2, 7 V (record détenu par Maxwell)
• Ce type de condensateur n'est pas polarisé.
• La résistance interne est particulièrement 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 (la valeur de 60 Wh/kg sera atteinte dans un futur proche), les firmes japonaises Advanced Capacitor Technologies et JEOL annoncent avoir développé un supercondensateur d'une densité d'énergie de 20 Wh/kg, alors que la société EEStor affirme que ses prochains produits offriront une densité qui plus est 300 Wh/kg.

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.

Applications

Les applications incluent la voiture électrique (comme tampon d'énergie entre le variateur de vitesse et les batteries), mais également l'ensemble des cas de stockage d'énergie électrique avec des conditions climatiques extrêmes (par exemple : démarreur de locomotives, contrôle d'orientation des pales des éoliennes).

Voir aussi

• Condensateur (électricité)
• Capacité électrique
• Nanocondensateur
• Coltan

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