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Jean-Claude LASSÈGUES : Directeur de Recherche au CNRS Laboratoire de Physico-Chimie Moléculaire UMR 5 803 Université Bordeaux I
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Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage de l’électricité constitués de deux électrodes, généralement identiques, séparées par un électrolyte. Comme les accumulateurs, ce sont des systèmes rechargeables, aussi appelés générateurs secondaires, à la différence des piles ou générateurs primaires, qui ne sont pas rechargeables, et des piles à combustible qui transforment directement de l’énergie chimique en énergie électrique.
Le principe général de fonctionnement des supercondensateurs repose sur la formation d’une double couche électrochimique à l’interface d’un électrolyte et d’une électrode polarisable de grande surface spécifique. L’application d’une différence de potentiel aux bornes du dispositif complet entraîne le stockage électrostatique de charges aux deux interfaces électrode-électrolyte qui se comportent comme deux condensateurs en série. Le système restitue la charge accumulée avec une excellente efficacité et pendant un très grand nombre de cycles. La réponse électrique des supercondensateurs s’apparente à celle des condensateurs : ils sont capables de délivrer des densités de courant importantes pendant des temps assez courts (forte puissance) ; pour un volume équivalent, ils stockent de 20 à 50 fois moins d’énergie électrique que les accumulateurs, mais environ 100 fois plus que les condensateurs diélectriques usuels, d’où leur appellation de « supercondensateurs » et leur vocation de générateur secondaire.
Des supercondensateurs de petite taille, délivrant des courants du microampère au milliampère sous quelques volts, ont été commercialisés dès la fin des années 1970. Leur application majeure, toujours d’actualité, est la sauvegarde de mémoires et d’autres fonctions qu’il est utile de préserver pendant une interruption de l’alimentation électrique principale. Comme leur coût et leur maintenance sont en général moindres que ceux des accumulateurs et leur durée de vie largement supérieure, ils ont été introduits dans nombre d’équipements portables et d’alimentations secourues. Le domaine connaît cependant un second souffle, depuis le début des années 1990, avec l’apparition de supercondensateurs de plus grande taille visant des applications où les besoins en énergie et surtout en puissance sont plus importants. Leur développement est motivé par des utilisations spécifiques dans lesquelles le compromis énergie-puissance est mieux satisfait que par les seuls accumulateurs ou condensateurs. En fait, ces supercondensateurs se présentent souvent comme des auxiliaires des condensateurs, accumulateurs ou même piles à combustible dans des montages hybrides où chaque dispositif est amené à jouer un rôle complémentaire. Tel est le cas du véhicule électrique où la traction serait assurée par des accumulateurs, tandis que le démarrage, l’accélération et d’autres opérations ponctuelles bénéficieraient de l’apport de puissance des supercondensateurs qui pourraient être rechargés lors du freinage. De façon générale, l’association d’un supercondensateur avec un accumulateur doit permettre au premier d’avoir un rôle de filtrage des demandes de puissance, augmentant ainsi les potentialités du second en matière d’énergie.
À plus long terme, les supercondensateurs semblent pouvoir atteindre des performances qui permettraient de mettre à profit leur durée de vie et leur fiabilité pour constituer des moyens autonomes de stockage et de fourniture d’énergie électrique dans des installations isolées utilisant les énergies solaire et/ou éolienne.
on pourra se reporter aux articles Stockage d’électricité dans les systèmes électriques [33], Accumulateurs [34], Piles à combustible [35], Condensateurs [36] et Accumulateurs portables [37].
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4. Fabrication des supercondensateurs
Dans leur ensemble, les divers matériaux d’électrode et les électrolytes utilisables dans un supercondensateur sont assez bien identifiés, même si des matériaux aux propriétés optimisées sont progressivement introduits. Les plus grands progrès dans les dix dernières années sont plutôt à mettre au compte des techniques de mise en forme, d’assemblage et de connectique. Ils se traduisent par des performances notablement améliorées, même pour des dispositifs à base de carbone activé et d’un électrolyte aqueux ou organique classique. Malheureusement, on aborde ici un domaine dans lequel l’information reste assez confidentielle. Nous nous contenterons donc d’évoquer les principes de fabrication dans leur principe général.
4.1 Mise en œuvre des électrodes
Les procédés de fabrication d’électrodes composites à base de carbone dépendent de la nature du carbone (poudres, fibres, aérogels…) et de l’électrolyte (liquide, polymère, solide…).
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Plus de 80 % des supercondensateurs commerciaux utilisent le couple poudre de carbone/électrolyte liquide. Il s’agit de fabriquer en premier lieu des électrodes carbonées qui soient en contact intime avec le collecteur de courant et qui puissent ensuite être imprégnées efficacement par l’électrolyte sans que ce dernier n’affecte la tenue mécanique de l’électrode et son contact avec le collecteur. Deux procédés principaux, l’enduction et l’extrusion, ont été mis en œuvre à l’échelle industrielle.
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L’enduction suppose la préparation préalable d’un mélange homogène carbone/liant/solvant. Le carbone peut correspondre à un mélange de carbone activé et d’une faible quantité de noir de carbone ou de graphite pour améliorer la conductivité électronique. Le liant est souvent un polymère organique de type fluoré ou de la méthylcellulose. Quant au solvant, sa nature est évidemment liée à celle du liant, mais il est, en outre, souhaitable que son prix et sa toxicité soient minimaux. La viscosité du mélange...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Proceedings of the nth International Seminar on Double-Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices - , chaque année depuis 1991, Florida Educational Seminars, Deerfield Beach.
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(2) - CONWAY (B.E.) - Electrochemical Superca-pacitors : Scientific Fundamentals and Technological Applications - . 698 p. 1999, Plenum Pub. Corp., New York.
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(3) - KOTZ (R.), CARLEN (M.) - Principles and applications of electrochemical capacitors - . Electrochim. Acta, 45, 2000, 2483-2498.
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(4) - ANDRIEU (X.) - Ultracapacitors for portable electronics, dans Energy Storage Systems for Electronics - , 1, 2000, pp. 521-547, Éditeurs T. Osaka et M. Datta, Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam.
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(5) - Journées d’Études sur les Supercondensateurs - , JESC’98, CNAM & S.F.C., Paris, 5-6 février 1998.
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(6) - Supercapacitors,...
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