Polytech Nantes Infos n°7 - Février 2011
Polytech Nantes Infos - Lettre d'informations
Jusqu'à une époque récente, condensateurs et batteries se partageaient le diagramme de Ragone (cf. figure 1 en bas de page), laissant un grand vide entre leurs caractéristiques respectives : forte densité de puissance pour les condensateurs et densité d'énergie importante pour les batteries.
Avec l'apparition des supercondensateurs (ou supercapacités) en 1957, il devenait enfin possible d'emmagasiner ou de restituer de l'énergie électrique sur quelques secondes de façon réversible sur plusieurs millions de cycles de charge/décharge.
Après une période d'incertitude sur leur aptitude à intégrer des dispositifs commerciaux, on assiste aujourd'hui à l'essor de ces systèmes de stockage d'énergie. Les tramways sans caténaire, qui se font "biberonner" en station pendant quelques secondes, peuvent alors franchir la distance les séparant de la station suivante grâce à leur module de supercondensateurs.
Les grues portuaires des ports d'Asie récupèrent l'énergie potentielle lors de descente des containers avec leurs impressionnants modules de supercapacités et économisent ainsi 20 à 40% de carburant.
Et bientôt les automobiles qui, muent par l'énergie électrique, voudront économiser la moindre parcelle d'énergie afin d'aller toujours plus loin, récupéreront l'énergie de freinage grâce à leur module de supercondensateurs. Il est vrai que leur durabilité est un atout de choix puisqu'elle équivaut à celle du dispositif qui les emploie, soient plusieurs dizaines d'années.
Grue portuaire hybride diesel/électrique. Photo: courtesy of Nippon Chemi-Con Corporation
Grue portuaire hybride diesel / électrique avec un module de stockage à base de supercondensateurs (DLCAP ESS Module).
Ce module récupère et stocke sous forme électrique l'énergie potentielle lors de la descente des containers. L'énergie ainsi stockée est utilisée pour aider le moteur diesel à monter le container suivant, économisant à la fois du carburant et limitant les émissions de gaz à effet de serre.
(Source : Electrochemical Capacitors :Challenges and Opportunities for Real-World Applications, John R. Miller and Andrew F. Burke, Electrochemical Society Interface, printemps 2008, pages 53-57,  .)

Les travaux du laboratoire LGMPA

Seule ombre au tableau, la densité d'énergie des supercapacités est encore trop faible pour espérer remplacer les batteries dont elles sont les compléments indispensables dans bon nombre d'applications. C'est actuellement le moteur principal des recherches dont le Laboratoire Génie des Matériaux et Procédés Associés (LGMPA) de Polytech Nantes est devenu un des leaders internationaux.
En plus de développer de nouveaux matériaux d'électrodes, les travaux de recherche actuels portent sur la réalisation de cellules complètes* qui sont caractérisées au point de vue électrique et thermique, facteur primordial pour des systèmes qui supportent des densités de courant impressionnantes (plusieurs centaines d'ampères). Cette chaîne de mesure permet également de modéliser les phénomènes afin de proposer aux industriels des solutions adaptées à leurs problèmes, en termes d'architecture de modules, d'évacuation de la chaleur et de sécurité.
Supercondensateur hybride de 350F à base de dioxyde de manganèse. Copyright : LGMPA - projet CAPRYSDe plus, la nanostructuration de matériaux, tels certains oxydes ou nitrures, permet de développer des capacitances** élevées par rapport aux matériaux carbonés actuels sans avoir à utiliser de solvant toxique ou inflammable. Les systèmes hybrides ainsi conçus (cf. figure 2 ci-contre) fonctionnent en milieu aqueux neutre apportant à la fois une stabilité thermique accrue en fonctionnement mais également un impact négligeable sur les utilisateurs et l'environnement.
Figure 2 : supercondensateur hybride de 350 farads à base de dioxyde de manganèse, utilisant un électrolyte aqueux neutre. Réalisation LGMPA/CIRIMAT/ICG-AIME. Copyright LGMPA - projet CAPRYS

Comment fonctionnent les supercondensateurs ?

Deux électrodes immergées dans une solution aqueuse ou organique (électrolyte) sont polarisées respectivement positivement et négativement lors de la charge et attirent les ions de charge opposée. Lors de la décharge, les ions sont relargués dans l'électrolyte et l'énergie emmagasinée est restituée. Deux types de matériaux se partagent la primeur pour la conception des électrodes: les matériaux carbonés à grande surface spécifique qui stockent l'énergie de façon électrostatique et les matériaux pseudo-capacitifs (oxyde de ruthénium,...) pour lesquels les réactions d'oxydo-réduction rapides et réversibles cantonnées à la surface procurent des capacitances** (exprimées en farads par gramme, F/g) équivalentes voir supérieures à celles de leurs homologues carbonés.
  Diagramme de Ragone: densité de puissance en fonction de la densité d'énergie

Figure 1 - Diagramme de Ragone: densité de puissance en fonction de la densité d'énergie



*Cellule complète : supercondensateur "miniature" comportant deux électrodes mais aussi l'électrolyte imprégné dans le séparateur et le "casing" (emballage).
**Capacitance
(ou capacité électrique) : quantité de charge électrique stockée pour un potentiel électrique donné. (Source : Wikipedia).

Bibliographie: