Les Supercondensateurs
publicité
Le stockage de l’énergie électrique par supercondensateurs : du composant au système Tutoriales Ecole Doctorale EEA de Lyon Pascal VENET [email protected] 1 PLAN Présentation des supercondensateurs Applications des supercondensateurs Rappel sur les condensateurs Les différentes familles de supercondensateurs Supercondensateurs à double couche électrique Caractérisation et modélisation Vieillissement Équilibrage des supercondensateurs Utilisation des supercondensateurs Evolutions à envisager Conclusion 2 Présentation des supercondensateurs Supercondensateur = • Supercapacité, • Condensateur à double couche électrique, • Electrical Double Layer Capacitor (EDLC), • Supercapacitor, • Ultracapacitor, • Gold capacitor, • Electrochemical capacitor, •… Supercondensateurs = composants à supercapacité : de quelques F à quelques milliers de F (à comparer avec quelques mF à quelques dizaines de mF pour les gros condensateurs électrolytiques) 3 Présentation des supercondensateurs Maxwell 10 F, 2,5 V Maxwell, 5 F à 150 F, 2,7 V Kamcap 300F, 2,7 F VinaTech de 1,5 F à 350 F, 2,5 V / 2,7 V / 3V 4 Présentation des supercondensateurs Batscap Maxwell 2600 F, 2,7 V 3000 F, 2,7 V Skelcap 320F à 3500 F, 2,85 V LS Mtron 3000 F, 2,8 V Nesscap 5000 F, 2,7 V 5 Présentation des supercondensateurs Diagramme de Ragone 10 h 10000 1h 6 min 36 s 3,6 s Accumulateurs 1000 0,36 s Accumulateurs Energie 100 massique (Wh/kg) 10 36 ms Supercondensateurs 1 Sources d’énergie 3,6 ms Supercondensateurs 0,36 ms Condensateurs 0,1 Sources de puissance 0,01 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 Puissance massique (W/kg) 6 Présentation des supercondensateurs Avantages des supercondensateurs Courants de charge et décharge élevés (jusqu’à quelques 100 d’A pour les gros éléments) Faible durée de charge et décharge (de l’ordre de 1 s à quelques 10 s) Durée de vie ou nombre de cycles élevés ( quelques 100 000 cycles) par rapport aux accumulateurs Inconvénients des supercondensateurs Tension par élément limitée à ( 3 V) Comportement non linéaire du composant Composants pouvant contenir de l’acétonitrile (toxique, inflammable et explosif) 7 Présentation des supercondensateurs Avantages et inconvénients des supercondensateurs www.ineris.fr/centredoc/ve-technologies-batteries-couv-ineris.pdf 8 Présentation des supercondensateurs Marché mondial Estimé à 1100 M$ en 2014 Marché mondial (Milliard de $) BCC Research, January 2011 www.idtechex.com 9 Applications des supercondensateurs Électronique grand public : Sauvegarde de mémoire Applications nécessitant de fortes « impulsions » de courant Assiste les batteries dans les équipements portatifs … Tournevis avec superC : rechargeable en 45 secondes SuperC pour alimentation flash à LED d’appareil photo, de smartphone, … Appareil photo numérique : superC en // avec des batteries pour les assister lors des demandes de puissance liées à l’activité du microprocesseur, écriture sur le disque, … Coupe tube : superC en // avec les batteries Réduction de la durée de coupe de 50 % www.maxwell.com www.garmanage.com 10 Applications des supercondensateurs Airbus A380 Ouverture d'urgence des 16 portes de l’avion (configuration redondante des cellules) 54 superC par porte Orientation des pales d’éolienne Maintenance minimale Gamme de température de -40 à 65C Système de stockage stationnaire SITRAS ® Récupération de l’énergie de freinage de tramways (320 MWh/an). Stabilisation de la tension de réseau 1340 superC de 2600 F (fonctionnant à 2,3V) www.maxwell.com www.garmanage.com 11 Applications des supercondensateurs Ferry électrique STX Ferry de 113 personnes, 22 m de long 6 tonnes de supercondensateurs 128 modules de supercondensateurs Grues portuaires Récupération de l’énergie de freinage 40% de moins de consommation de carburant Pelle hydraulique Caterpillar 1400 tonnes, 4500 ch (3360 kW) Récupération de l’énergie lors de la décélération des balancements et lors des mouvements d'abaissement de la flèche Consommation de carburant par tonne réduit de 25% 98 modules de supercondensateurs 125 volts 12 Applications des supercondensateurs Systèmes embarqués dans les transports terrestres Micro hybrides (Stop & Start) 15 % de réduction de consommation en circulation urbaine 2 supercondensateurs de 1200 F Système développé par PSA Système e-HDi • Citroën C2, C3, C4, C5 • Peugeot 208, 308, 508, 3008 •… 13 Applications des supercondensateurs Systèmes embarqués dans les transports terrestres Micro-hybride (Stop & Start) et alimentation d’auxiliaires Mazda 6 système i-ELOOP 14 Applications des supercondensateurs Systèmes embarqués dans les transports terrestres Mild-hybride : récupération de l’énergie de freinage et assistance du moteur thermique Bus Lion’s City de Man Moteur diesel + superC Toyota hybride TS030 Moteur diesel + superC (WEC 2013 : 2ème et 4ème aux 24 h du Mans, 1er aux 6 heures de Fuji et de Bahrain) 15 Applications des supercondensateurs Systèmes embarqués dans les transports terrestres Véhicule électrique avec hybridation des sources MITRAC Bombardier Catenaires + superC Tramway Stadler Rail (Transports Publics Genevois) Catenaires + superC Sans alimentation : autonomie de 400 et 1500 mètres 16 Applications des supercondensateurs Exemple sur les tramways, tram-trains (MITRAC Bombardier) Sans supercondensateur 17 Applications des supercondensateurs Exemple sur les tramways, tram-trains (MITRAC Bombardier) Avec supercondensateurs 18 Applications des supercondensateurs Systèmes embarqués dans les transports terrestres Véhicule électrique rechargeable en stations (biberonnage) • Traction électrique autonome entre deux stations basée sur un stockage d’énergie par supercondensateurs. • Recharge rapide des supercondensateurs en stations pendant l’arrêt 19 Applications des supercondensateurs Principe du Biberonnage Station 1 Station 2 SC SC M M SC Recharge rapide 20 Applications des supercondensateurs Principe du Biberonnage 400 puissance (kW) 200 phases de la traction Tem ps 0 -200 -400 -600 1- 0 Biberonnage Accélération 1 Marche sur l’erre 2 3 4 Biberonnage Freinage par récupération Accélération 21 Applications des supercondensateurs Systèmes embarqués dans les transports terrestres Véhicule électrique rechargeable en stations (biberonnage) Bus Sinautec (Chine) (en recharge) Train Zhuzhou Electric Locomotive (Chine) Bus 100% électrique 100% électrique SuperC SuperC 22 Applications des supercondensateurs Systèmes embarqués dans les transports terrestres Véhicules électriques Microbus du fabriquant Gruau & Bolloré Hybrides ou 100% électrique Batteries Lithium Métal Polymère + superC Minibus Sinautec (Chine) 100% électrique, SuperC 23 Rappel sur les condensateurs Diélectrique L’énergie stockée W S Cathode - Anode + e S 1 CAK .U2 avec CAK 0 r e 2 r S Pour W U e Lié aux propriétés du matériau et à sa rigidité diélectrique U Types usuels de condensateur Matériau diélectrique r Rigidité diélectrique ev (kV/cm) Epaisseur du diélectrique emin Tensions nominales (V) Films Plastique 2,1 à 6 600 à 4500 0,9 à 6 m 10 à 104 Electrolytique AL2O3 8 à 10 6600 à 7700 0,02 à 0,7 m 10 à 500 24 Rappel sur les condensateurs r S Pour W U e Diélectrique ou support d’électrolyte Diélectrique ou support d’électrolyte Armatures Armatures Condensateurs électrolytiques à l’aluminium Surface de l’anode sur laquelle est déposé par électrolyse l’oxyde gravée Surface effective S = (20 à 100) X Surface apparente 25 Rappel sur les condensateurs Condensateurs électrolytiques à l’aluminium à électrolyte liquide Composant élémentaire Cathode réelle Electrolyte Anode Feuille d’aluminium + - Cathode apparente Feuille d’aluminium Al2O3 Diélectrique Oxyde d’alumine (Al2O3) Support d’électrolyte Papier imprégné d’électrolyte Composant complet Bandes de Bandes de connexion connexion Soupape de sécurité de la cathode de l’anode Bornes de connexion Papiers Bandes de connexion Bobinage des électrodes et du papier Anode Cathode apparente 26 Rappel sur les condensateurs Condensateurs à films polypropylène métallisés Connexion de sortie Soudure Mandrin ep Schoopage em Films polypropylène Métallisation Anode Métallisation Cathode Métallisation renforcée 27 Rappel sur les condensateurs Modèles des condensateurs Schémas électriques équivalents CAK Rl L Rp CAK(T, U) – CAK : capacité idéale anode cathode ; – Rp : représente les pertes dans le diélectrique et les fuites entre les deux électrodes (associé à IL) – Rl : résistance des connexions et électrodes Rp(T, U) Rl(T, f) – L : inductance connexions et enroulements – C : capacité série C C (T, U, f) ESR ESL – ESR : résistance équivalente série – ESL : inductance équivalente série = L ESR (T, U, f ) Rp n’a une influence qu’aux fréquences basses 1 Z ESR j ESL C fr 1 2 ESL.C Pour T et U données : ESR = cste C = cste 28 Rappel sur les condensateurs Impédance des condensateurs Z(f) pour un condensateur électrolytique à l’aluminium 4700 F / 500 V 10 Z () 1 Z Z ESR ESL C Z () 2 2 fr 1 1 10 100 0,1 1000 10000 1 2 ESL.C 100000 f (Hz) 1000000 10000000 1E+08 Z mesuré ESR 0,01 Z simulé 1/(C.) ESL. 0,001 C = 4350 F ESR = 11,3 m ESL = 19 nH 29 Rappel sur les condensateurs Impédance des condensateurs Z(f) pour un condensateur à films polypropylène métallisés 10 F / 250 V 1000 Z () fr 100 1 2 ESL.C Z simulé 10 Z mesuré 1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 100000000 f (Hz) 0,1 0,01 ESR ESL. 1/(C.) 0,001 C = 9,93 F ESR = 10,0 m ESL = 32,8 nH 30 Les différentes familles de supercondensateurs Comme pour les condensateurs électrolytiques, les supercondensateurs comprennent deux électrodes et un électrolyte. 3 principales catégories de supercondensateurs. Électrodes composées : de charbon actif d’oxydes métalliques de polymères conducteurs Dioxyde de rethinium (RuO2) Dioxyde d’iridium (IrO2) Pas de transfert de charges mais interactions électrostatiques Transfert de charges par oxydoréduction lors des phases de charge décharge Transfert de charges lié au processus de dopage dédopage Problème de coût Non finalisé industriellement 31 Supercondensateurs à double couche électrique Supercondensateurs à électrodes en charbon actif les plus développés industriellement compte tenu : de leur grande surface spécifique (cf. ci-dessous) du faible coût, de la matière première et du procédé industriel de fabrication. Particularités des supercondensateurs : Pas de diélectrique mais présence d’une double couche électrique jouant ce rôle Capacité non linéaire et modèles comportementaux spécifiques Capacité se dégradant rapidement en fonction de la fréquence (composant réservé au domaine exclusif du stockage d’énergie) 32 Supercondensateurs à double couche électrique Électrolyte Séparateur Collecteur de courant (feuilles d’aluminium) (Credit: EnerG2) Cation de l’électrolyte Anion de l’électrolyte Électrodes en charbon actif Charges électroniques dans l’électrode 33 Supercondensateurs à double couche électrique Le séparateur : Pour éviter le contact entre les deux électrodes et donc le courtcircuit Conducteur ionique et isolant électronique poreux afin de faciliter le transfert ionique de l'électrolyte vers les électrodes. A base de polymère ou de papier. 34 Supercondensateurs à double couche électrique Formation aux interfaces électrode solide / électrolyte liquide d’une zone de charge d’espace appelée double couche électrique Stockage d’énergie électrostatique (pas de réaction chimique) L’électrolyte : Par principe même, la tenue en tension de ce composant est limitée à quelques volts (décomposition de l’électrolyte par oxydoréduction) Électrolyte aqueux : • Conductivité élevée • Tension faible 1 V Électrolyte organique (Acétonitrile) : • Conductivité plus faible • Tension plus élevée 3 V • Inflammable et explosif (lorsque la concentration atteint entre 3 et 16 % du volume de l’air) 35 Supercondensateurs à double couche électrique Capacité du supercondensateur de nature volumique – Epaisseur de la double couche de quelques nanomètres – Surface des électrodes de qq centaines m2/g à 3000 m2/g Assemblage et connexion Séparateur Collecteur de courant Bobinage Languettes Charbon actif 36 Méthodes de caractérisation des supercondensateurs Caractérisation fréquentielle Caractérisation temporelle Mesures temporelles en courant et tension lors de charge ou/et décharge Avantages : Avantages : – Simplicité de mise en oeuvre – Fonctionnement du composant à des niveaux de courant proches des applications Inconvénients – Précision (méconnaissance des différentes constantes de temps) Modèles simples Application d’une faible tension sinusoïdale superposée à une tension continue et analyse de l’amplitude et du déphasage du courant – Précision – Connaissance du comportement dynamique du composant Inconvénients – Nécessite un spectromètre d’impédance – Niveaux de courants injectés Complémentarité Modèles riches 37 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation de la capacité de la double couche Cdl Electrolyte 3200 Couche diffuse 2800 Cdl (F) Electrode Mesures Relation 3000 2600 2400 Couche compacte 1 1 1 1 1 Cdl C Comp Cdiff C Comp cK .chU / uK 2200 2000 0 0,5 1 1,5 U(V) 2 2,5 3 38 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle à simple pore Hypothèse sur le structure de l’ électrode poreuse Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 Rs Cdl L Rn R2 R1 R1 2.Rel 2 R2 Zp – – – – 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 ZP Rel .coth j.Cdl j.Cdl Rel Cdl : capacité de la double couche Rel : résistance liée à l’accessibilité des pores par l’électrolyte Rs : résistances séparateur + électrolyte + électrodes + collecteurs + connexions + contact L : inductance connexions et enroulements 39 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité Modèle à Mesures simple pore Circuit RLC Circuit RLC f = 10 mHz R L C f f 50 Hz f 1 kHz Modèle à simple pore L Rs Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn R1 2.Rel 2 R2 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 40 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle à simple pore Rs L Caractérisation fréquentielle Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn R1 1/(Cdl) 2.Rel 2 R2 2.Rel 2 2 2 Rn 2.Rel n2 2 Rs Rel/3 -L 41 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle à simple pore L Rs Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn R1 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 U (V) 2.Rel Modèle à simple pore Mesures Charge 0 10 Repos 20 2 R2 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 Circuit RLC Modèle à Mesures simple pore f = 10 mHz f 50 Hz Décharge 30 f 1 kHz t (s) 42 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle multi-pores Prise en compte du phénomène de redistribution en considérant différentes classes de pores de pénétrabilités différentes Rs L Cdl1 Cdl1/2 R11 Rij 2.Reli j2 2 Cdl2 Cdl3 Cdl2/2 Cdl1/2 R12 Cdl2/2 Cdl1/2 R1n Classe de pores correspondant à Zp1 Cdl2/2 R21 R22 R2n Cdl3/2 Cdl3/2 Cdl3/2 R31 R32 R3n Classe de pores correspondant à Zp2 Classe de pores correspondant à Zp3 43 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle multi-pores Caractérisation fréquentielle + Mesures Modèle multi-pores f = 10 mHz f = 1 kHz 44 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité – Modèle simple pore modifié L Rs Cdl Cdl/2 Cdl/2 Cdl/2 R1 R2 Rn Rp R1 2.Rel 2 R2 Rr 2.Rel 22 2 Rn 2.Rel n2 2 Cr En BF = Prise en compte du phénomène de redistribution des charges avec Rr Cr Modèle simple pore modifié f = 10 mHz Mesures En HF = Prise en compte de l’effet de peau f = 10 kHz 45 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique Modélisation temporelle – Modèle à 2 branches Rs Cdl Cdl/2 C = C0+k.v Rp R1 2.Rel 2 R2 v Rr u(t) 3200 Rn R2 R1 Caractérisation temporelle Cdl/2 2.Rel 2 2 2 Rn 3000 2.Rel Cdl (F) L Cdl/2 2 2 n 2800 Mesures 2600 u(t)2400 Cr Modèle à deux branches 2200 Tension(V) 2000 0 RS u Rf Rr v C=C0+k.v Autodécharge Cr 2 branches 0,5 Modèle 1 à 1,5 2 2,5 3 Mesures 46 Vieillissement des supercondensateurs ΔV θ° C Surpression Dégagement de gaz Blocage de la porosité Détachement de grain d’électrode Groupes de surface parasites Molécule de solvant Oxydo-réduction solvant groupes de surface parasites Craquelure de l’électrode Vieillissement du liant Zone isolée ELECTROLYTE ELECTRODE 47 Vieillissement des supercondensateurs Mécanismes de vieillissement Défaillances liées au blocage de la porosité Vieillissement calendaire d’un superC de 3000 F : V = 2,8V et T = 60C -3 Evolution of spectrum with time for 2.8V, 60°C floating x 10 6 Défaillances liées à l’intégrité du charbon actif et à l’assemblage collecteur - charbon actif (dégradation du liant) 4 -ImZ(Ohm) ESR C 1 C 5 168h 1190h 2092h 3 2 1 0 -1 ESR 2 2.5 3 3.5 4 RealZ (Ohm) 4.5 5 -4 x 10 ESR * Photo article Sang-Wook Woo, Kaoru Dokko, Hiroyuki Nakano, Kiyoshi Kanamura, « Incorporation of polyaniline into macropores of three-dimensionally ordered macroporous carbon electrode for electrochemical capacitors » Journal of Power Sources, Volume 190, Issue 2, 15 May 2009 48 Vieillissement des supercondensateurs Analyses post mortem par MEB (effectuées au LUSAC EA 4253) Vieillissement calendaire d’un superC de 350 F : V = 2,9V et T = 65C après durée de 1200 h Surface de l’électrode avant vieillissement : 858 m2/g Surface de l’électrode après vieillissement : 460 m2/g 49 Vieillissement des supercondensateurs Estimation de la durée de vie Diminution de la capacité de X% (X% 20%) et augmentation de ESR de Y% (Y% 100%) Durée de vie td en fonction de la tension U et de la température suivant loi d’Eyring : – td = 0.exp(-U/U0- / 0) – Si 10 C td/2 – Si U 0,2 V td/N (2<N<5) – En cyclage, influence du courant Ieff à considérer 50 Equilibrage des supercondensateurs Tension maximale d’utilisation d’un supercondensateur à électrolyte organique limitée autour de 3 V (au-delà l’électrolyte se décompose par oxydo-réduction) Mise en série de plusieurs composants = module Nécessité d’un système d’équilibrage – Dispersions des caractéristiques entre chaque composant dues : • aux tolérances sur les paramètres compte tenu du procédé de fabrication • à la différence de température à laquelle peuvent être soumis des composants d’un même module • à la non similitude du vieillissement entre les composants d’un même module 51 Equilibrage des supercondensateurs Évaluation des performances des circuits d’équilibrage Rendement énergétique du système d’équilibrage Energie stockée dans les supercondensateurs Wsc Weq Energie dissipée dans le circuit d’équilibrage Wsc Durée de vie td Modèle d’Eyring : td = 0.exp(-U/U0- / 0) 52 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d’équilibrage dissipatifs – Passifs purs Usc (V) Usc2 USC1 SC1 Usc1 USC USC2 SC2 Avec des résistances de faible valeur : – Temps pour équilibrer le système réduit – SC1=C SC2=0,8.C t (s) Rendement de l’ensemble faible 53 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d’équilibrage dissipatifs – à résistances commandées Usc (V) Usc2 USC1 USC2 Usc1 SC1 USC U SC SC1=C SC2=0,8.C SC2 Résistances de faible valeur mises en parallèle temporairement : t (s) – Temps pour équilibrer le système réduit – Rendement de l’ensemble pas trop affecté 54 Equilibrage des supercondensateurs Circuits d’équilibrage non dissipatifs – hacheurs à stockage inductif (de type Buck-Boost) Usc (V) Usc2 USC1 USC1 SC1 Usc1 SC1 USC U USC2SC2 USC SC2 SC1=C SC2=0,8.C SC2 – Temps pour équilibrer le système très réduit t (s) – Rendement de l’ensemble élevé 55 Equilibrage des supercondensateurs Performances des circuits d’équilibrage Type de Système d’équilibrage Sans système d’équilibrage Capacité de SC1=C SC1 USC1 USC1 USC SC2 Convertisseur Buck-Boost USC1 SC1 SC1 USC USC SC2 USC2 Circuit à résistances commandées R=1 SC1 USC1 Capacité de SC2=0,8.C Circuit passif avec R=50 USC2 USC2 SC2 USC USC2 SC2 Durée de vie du module 1,4 années 3,5 années 6,0 années 6,0 années module % 100 77 91 93 56 Equilibrage des supercondensateurs Equilibrage par rapport à la durée de vie Existence de gradients de températures Prise en compte de la température dans l’équilibrage 0.exp(-U/U0- / 0) • sc1 = 3000F ; 0,28mΩ ; 38°C • sc2 = 2700F ; 0,42mΩ ; 48°C • sc3 = 2400F ; 0,56mΩ ; 66°C Estimation de la durée de vie (mois) Estimation de la durée de vie (mois) td = 0.exp(-U/U0- / 0) • sc1 = 3000F ; 0,28mΩ ; 38°C • sc2 = 2700F ; 0,42mΩ ; 48°C • sc3 = 2400F ; 0,56mΩ ; 66°C Temps (s) Temps (s) Homogénéisation de la durée de vie des composants Maintenance plus espacée, remplacement du système de stockage dans son ensemble 57 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC 3 DC DC 58 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC 3 DC DC DC 59 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC 3 DC DC DC PC H2 60 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC 3 DC DC DC Caténaires 61 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC DC DC DC Caténaires Résistances de freinage DC 3 DC AC DC GS 3 MTh 62 Utilisation des supercondensateurs Exemples de structures multisource DC MAS AC DC DC DC Limites de courant, di/dt, … 3 Gestion d’énergie entre les différents convertisseurs DC Lois de vieillissement des syst. de stockage 63 Utilisation des supercondensateurs Exemple de structure des systèmes avec supercondensateurs et batteries 64 Evolutions à envisager Densité de puissance aujourd’hui suffisante (>10 kW/kg) Densité d’énergie à améliorer (>> 10 Wh/kg) L’énergie stockée W S 1 CAK .U2 avec CAK 0 r S 2 e e U e Interface électrode / électrolyte S Pour W r Electrolyte U Composant hybride P. Simon, “Supercondensateurs : principes et évolutions” Présentation Collège de France, Chaire annuelle 2010-2011 65 Evolutions à envisager Interface électrode / électrolyte Surfacic capacitance (F/cm²) 1.5 x 10 1 -5 Macropore Rion - solvaté + + + + + Rion - - - - Rpore =Rion Rpore =Rion solvaté - - - - Rpore - + + + + + Mésopore 0.5 + + + + + 1 0 -1 10 10 0 10 10 1 Rpore /Ri on 10 2 10 3 Macropores Pores inutilisables Micropores Mesopores Ex cations, 6.5 Å charbon actif usuel :Rion=0.34 Å Rion solvate=0.65 Å Rpore médian=10 Å - - - - - - - Rpore - + + + + + Micropore - - - - + + Electrodes microporeuses (technique CDC) capacité surfacique R. German, “Etude du vieillissement calendaire des supercondensateurs et impact des ondulations de courant haute fréquence » , thèse Université Lyon 1, 2013 66 Evolutions à envisager Interface électrode / électrolyte Supercondensateurs avec matériaux actifs à base de • Nanotubes de carbone • Graphène (supercondensateur souple) Densités d’énergie et de puissance El-Kady, Maher, and Richard Kaner, “Scalable fabrication of high-power graphene micro-supercapacitors for flexible and on-chip energy storage,” Nature Communications, Volume 4, February 2013. 67 Evolutions à envisager Nouveaux électrolytes : recherche d’électrolytes stables à haut potentiel Composant hybride (Lithium Ion Capacitor) Capacité : 2000 F Volume 124 ml ; poids 208 g Tension entre 2,2 V et 3,8 V P. Simon, “Supercondensateurs : principes et évolutions” Présentation Collège de France, Chaire annuelle 2010-2011 P. Venet, H. Gualous « Stockage de l’énergie par supercondensateurs » Journées de la section Electrotechnique du club EEA, Nancy, 2013 68 Conclusion Densité de puissance élevée Capacité d ’emmagasiner et de restituer de l ’énergie à cadence élevée Durée de vie élevée par rapport aux accumulateurs Aujourd’hui, le marché mondial est constitué par les supercondensateurs à électrolyte organique (acétonitrile toxique, inflammable et explosif) jusqu’à 5000 F ; 2,8 V Amélioration de la densité d’énergie envisageable à plus ou moins long terme (dispersion de taille des pores réduite, graphène, nanotubes de carbone, composant hybride, …) 69 MERCI pour votre attention 70
