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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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3. Matériaux
3.1 Électrodes bloquantes
Le carbone reste le type de matériau privilégié pour constituer des électrodes bloquantes, d’autant plus que de nouvelles variétés de charbon actif, de fibres activées, d’aérogels, de nanotubes, continuent à émerger. On sait désormais obtenir des matériaux de surface spécifique très élevée qui ont des stabilités chimiques et électrochimiques intéressantes et des conductivités électroniques acceptables. La surface spécifique est généralement mesurée par la méthode BET (Brunauer-Emmett-Teller) [41]. Bien qu’indispensable, cette mesure ne donne cependant qu’une vision globale de la surface et il reste important de caractériser la distribution des tailles des pores par d’autres méthodes, afin de savoir si les ions solvatés peuvent exploiter tous ces pores pour former une double couche électrochimique. Rappelons que les domaines de porosité sont définis selon trois types de tailles de pores :
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microporosité (< 2 nm) ;
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mésoporosité (de 2 à 50 nm) ;
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macroporosité (> 50 nm).
L’activation du carbone est une technique connue de longue date et mise à profit pour produire des matériaux présentant de bonnes propriétés d’adsorption [42]. Il existe donc sur le marché une très grande variété de charbons actifs. Leur prix est relativement bas et ne peut être concurrencé par aucun autre matériau pour constituer les électrodes d’un supercondensateur. Paradoxalement, l’abondance et la variété des matériaux carbonés disponibles entraîne quelques difficultés dans la définition des critères de choix. Selon que l’on recherche l’énergie ou la puissance, il faudra trouver le meilleur compromis entre de nombreux paramètres tels que la surface spécifique, la porosité et sa distribution, la pureté du matériau, sa conductivité électronique, sa mouillabilité, sa facilité de mise en forme, etc. De plus, les données de la littérature sont extrêmement nombreuses et dispersées, alors que les informations techniques sur des supercondensateurs...
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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.
-
(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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