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en utilisant des extraits de coques d’arachides

Généralités sur les supercondensateurs

Ce premier chapitre, constitué de trois parties présente les notions générales des supercondensateurs. La première partie décrit le principe de fonctionnement des supercondensateurs. La deuxième partie détaille les constituants du supercondensateur (technologie), et enfin la dernière partie traite les applications des supercondensateurs. 1| Principe de fonctionnement 1.1| Principe physique de base Afin de savoir de quoi l’on parle, il est bon de débuter par quelques éléments d’étymologie: pourquoi dit- on « supercondensateur »?

Principe de fonctionnement d’un condensateur classique

Dans sa version la plus simple, un condensateur (figure 1.1, à gauche) est un composant électronique élémentaire constitué de deux armatures métalliques conductrices appelées électrodes, entre lesquelles se trouve intercalée une substance isolante (diélectrique). Si on connecte l’une des bornes au pôle + d’une pile et l’autre borne au pôle –, les plaques se chargent rapidement avec la même polarité que celle du pôle connecté. Il y a autant de charges + que de charges -. Pour décharger le condensateur, il suffit de relier les deux bornes par un simple fil conducteur. Les électrons en excès de la plaque – s’écouleront à travers le fil pour compenser rapidement le défaut d’électrons de la plaque +. Aux bornes d’un condensateur chargé règne une tension électrique. Cela veut dire que les charges possèdent de l’énergie électrique1 . En d’autres termes, le condensateur chargé emmagasine de l’énergie électrique. Cette énergie est d’autant plus grande qu’il y a plus de charges accumulées sur les plaques et que la tension entre ces plaques est plus élevée. Avec des condensateurs classiques il faudrait des plaques à surface énorme se rapprochant le plus près possible, avec un excellent diélectrique. Toutefois ces condensateurs classiques nécessiteraient un espace et une masse énorme, pour quand-même assez peu d’énergie. C’est pourquoi les chercheurs n’ont pas cessé d’inventer de nouveaux types de condensateurs capables de stocker des quantités croissantes d’énergie pour un même volume. À ce jour, la palme d’or revient au supercondensateur.

Principe de fonctionnement du supercondensateur

Un « super » condensateur (figure 1.1, à droite) permet de stocker beaucoup plus de charge et donc d’énergie qu’un condensateur. Figure 1.1| Un condensateur (à gauche) et un supercondensateur (à droite) schématisés2 Un certain nombre d’éléments expliquent la différence entre condensateur et supercondensateur. Pour le supercondensateur, à la place du milieu diélectrique se trouve un électrolyte, substance conductrice qui contient des espèces chargées. La charge des plaques est alors compensée par des ions de charge opposée, qui sont attirés à leur surface. On obtient ainsi deux doubles couches (dites de Helmholtz), en fait deux condensateurs en série. Dans ces couches les charges de signe différent ne sont séparées que par quelques dixièmes de nanomètre. En plus, il faut offrir le plus de surface possible aux plaques pour qu’une grande quantité d’ions puissent s’y accrocher. Enfin, un séparateur microporeux permet d’éviter que les deux électrodes ne se touchent et n’entraînent un court-circuit. Le principe de fonctionnement d’un supercondensateur est basé sur le stockage de l’énergie par distribution des ions provenant de l’électrolyte au voisinage de la surface des deux électrodes. En effet, lorsqu’on applique une tension aux bornes d’un supercondensateur, on crée une zone de charge d’espace aux deux interfaces électrode-électrolyte. C’est ce que l’on appelle la double couche électrique3 . Le stockage de l’énergie est donc électrostatique et non pas faradique comme dans le cas des batteries, puisqu’il n’y a pas de réaction électrochimique. Un supercondensateur a une structure anode-cathode à base de charbon actif, permettant de disposer d’une surface active considérablement élevée par rapport aux condensateurs traditionnels, et donc d’obtenir des valeurs très élevées de capacités (1 à 5000 F)4 . Ceci fait des supercondensateurs des éléments potentiels de stockage d’appoint, idéalement complémentaires aux batteries ou à la pile à combustible.

Diagramme de Ragone

Afin de comparer les performances des différents systèmes de stockage d’énergie, à savoir les condensateurs, les supercondensateurs et les accumulateurs, un diagramme est classiquement utilisé : le diagramme de Ragone. Il met en relation la densité d’énergie spécifique (W h kg−1) avec la densité de puissance spécifique (W kg−1) pour divers dispositifs de stockage d’énergie électrique5 . L’énergie spécifique est la quantité d’énergie qu’il est possible d’emmagasiner par unité de masse de matériau de base. La puissance spécifique est le débit de stockage/déstockage d’énergie par unité de masse de matériau d’électrode. À partir de ce graphique, on peut voir que le supercondensateur comble l’écart entre les condensateurs conventionnels et les batteries en Chapitre . Généralité sur les supercondensateurs Sokhna DIENG Sciences et Génie des Matériaux 2018-2019 6 termes de densité de puissance et d’énergie. En d’autres termes, les batteries sont bien connues pour leurs densités d’énergie élevées mais souffrent de faibles densités de puissance, alors que les condensateurs conventionnels affichent des densités de puissance élevées mais souffrent de faibles densités d’énergie et les supercondensateurs ont des valeurs de densités d’énergie et de puissance comprises entre celles de ces deux dispositifs comme indiqué en figure 1.26 . En bref, les SC ont le plus grand potentiel dans le domaine des dispositifs de stockage d’énergie. Figure 1.2| Graphique de Ragone montrant la densité d’énergie par rapport à la densité de puissance pour divers systèmes de stockage d’énergie6 1.3| Types de supercondensateur (mécanisme) Les supercondensateurs et leur principe de fonctionnement général ont été décrits précédemment. Cependant, il existe différentes technologies qui nous amènent à différencier et classer les supercondensateurs dans des catégories distinctes. Ces différences sont notamment basées sur la nature du matériau actif utilisé pour les électrodes et sur le mode de stockage de l’énergie au sein de ces matériaux. Ainsi, nous pouvons distinguer trois types qui impliquent différents mécanismes de stockage d’énergie, à savoir les condensateurs électriques à double couche (EDLC), les pseudocondensateurs (PC) et les supercondensateurs hybrides dans lesquels le couplage EDLC et PC fonctionnent ensemble7 . Chapitre . Généralité sur les supercondensateurs Sokhna DIENG Sciences et Génie des Matériaux 2018-2019 7 Figure 1.3| Classification des supercondensateurs : EDLC, faradique et leur combinaison pour former des condensateurs hybrides7 Les supercondensateurs peuvent stocker l’énergie par deux processus. Le premier est la séparation des charges positives et négatives à l’interface entre l’électrode solide et l’électrolyte liquide. Ce phénomène s’appelle la capacité de double couche. Le deuxième emmagasine les charges par des réactions faradiques réversibles (réactions de transfert d’électrons entre les électrodes et l’électrolyte)8 .

Les supercondensateurs capacitifs ou EDLC

En principe, le mécanisme de stockage électrostatique des charges a lieu à la surface et dans la porosité du matériau d’électrode. Ce stockage est rapide, réversible et n’implique pas de transformations chimiques ou structurales du matériau. Ce sont donc des systèmes possédant une grande densité de puissance et ayant une durée de vie théoriquement illimitée9 . Les supercondensateurs capacitifs sont composés de matériaux d’électrodes possédant une bonne conductivité électronique et des surfaces spécifiques élevées. La matière active correspond à la surface poreuse de l’électrode sur laquelle les ions vont s’adsorber. Il est donc important d’optimiser cette surface accessible aux ions. Plus la matière active développera des surfaces contenant des pores de taille nanométrique, plus le supercondensateur sera capable de stocker une grande quantité d’énergie10. Dans les EDLC, l’énergie est stockée par séparation de charge aux interfaces entre les matériaux actifs des électrodes et les électrolytes, ce qui est une pure accumulation de charge physique aux interfaces11 . Ils peuvent être simplifiés pour être des condensateurs à plaques parallèles avec la formule suivante12 . 𝐶 = Ɛ0Ɛ𝑟 𝑑 𝐴 Eq. 1.1  εr = constante diélectrique de l’électrolyte  ε0 = permittivité du vide  d = longueur de Debye  A = surface efficace, qui entre en contact avec l’électrolyte Chapitre . Généralité sur les supercondensateurs Sokhna DIENG Sciences et Génie des Matériaux 2018-2019 8 Figure 1.4| Illustration schématique d’un condensateur électrique à double couche (EDLC)

Les supercondensateurs faradiques ou PC

Les systèmes faradiques mettent en jeu des réactions d’oxydo-réduction (redox) constituant les électrodes qui viennent s’ajouter au phénomène de stockage en double couche produisant un changement d’état d’oxydation du matériau électroactif. Des électrons sont générés à l’anode (oxydation), alors qu’ils sont consommés à la cathode (réduction)13. Ces réactions redox rapides et réversibles additionnées au stockage de double couche permettent d’augmenter la capacité du matériau d’électrode. Les matériaux d’électrodes souhaités doivent tenir compte de différents critères tels qu’une bonne conductivité électronique et ionique, une surface spécifique élevée, une solubilité inexistante ou négligeable dans l’électrolyte et la possibilité de réaliser des réactions redox réversibles à de nombreux degrés d’oxydation9 . Les PC stockent de l’énergie par une réaction chimique à la surface des électrodes.