GENERALITES SUR LES SUPERCONDENSATEURS

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie, caractérisés par des transferts d’énergie à haut rendement en courte durée, typiquement de l’ordre de la seconde. Les performances dynamiques élevées de ces dispositifs s’appuient sur la très faible résistance interne ainsi que sur la nature majoritairement électrostatique du stockage de l’énergie, de la grande capacité de stockage d’énergie, d’une forte densité de puissance, de leur grande stabilité en température et de très grande durée de vie. Ces bonnes caractéristiques font qu’aujourd’hui ces systèmes de stockage sont utilisés dans différentes applications. La première partie de ce chapitre est consacrée à la présentation des différentes propriétés et caractéristiques du principe de fonctionnement, du principe physique de base des supercondensateurs. On présentera par la suite la technologie des supercondensateurs (Matériaux actifs de base, Electrolytes, Séparateurs et construction ou configuration d’un supercondensateur). La dernière partie de ce chapitre abordera les différentes applications des supercondensateurs.

Les supercondensateurs

Les supercondensateurs sont des dispositifs capables de stocker l’énergie électrique et de la restituer rapidement aux temps nécessaires, dont la commercialisation est relativement récente. Ils sont destinés aux applications de puissance et utilisés aussi pour fournir un pic d’énergie sur un temps très court, classiquement de quelques secondes. Le meilleur système de stockage d’une application donnée peut être basé sur la vitesse de stockage et de délivrance de l’énergie, autrement dit la puissance. Contrairement aux batteries qui stockent lentement l’énergie, les supercondensateurs ont un système de stockage très rapide. Le principe sur lequel repose les supercondensateurs (le phénomène de double couche électrique) a été découvert au 19ème siècle [1]. Cependant, la première version de supercondensateur « FA Série » n’a été commercialisée qu’en 1978, par le fabricant Japonais NEC. Cette première version était de faible capacité (<10 F). Cependant les premiers supercondensateurs de grande capacité (>100 F) n’ont été commercialisés qu’à partir de 1990 par Panasonic [2]. Par la suite le développement de cette technologie a beaucoup intéressé différentes industries. Les recherches pour le développement des supercondensateurs sont aujourd’hui importantes entre autres suite à la forte demande de solutions énergétiques pour différentes applications dans des domaines en croissance tels que les transports électrifiés, la communication, l’industrie, etc.

Comparaison entre les batteries et les supercondensateurs

Les supercondensateurs aussi appelés condensateurs électrochimiques ont été considérés comme candidats potentiels pour la prochaine génération de dispositifs de stockage d’énergie en raison de leurs densités de puissance plus élevées et des cycles de vie plus longs par rapport aux batteries secondaires, et une densité d’énergie plus élevée que les condensateurs diélectriques [3-4]. Parmi les différents types de dispositifs de stockage d’énergie, les supercondensateurs représentent un bon compromis entre les condensateurs et les batteries car ils ont des densités d’énergie et de puissance intermédiaires, ce qui leur permet de combler le déficit d’énergie des condensateurs ainsi que celui de la densité de puissance des batteries. Cette comparaison des différents dispositifs de stockage a été illustrée par le Diagramme de Ragone (graphique utilisé couramment pour comparer les performances des techniques de stockage d’énergie (batteries, piles, etc) sur la figure 1, avec les puissances spécifiques en ordonnées et en abscisse les énergies spécifiques. Ce diagramme montre que les condensateurs électrochimiques possèdent une très grande densité de puissance mais une très faible énergie spécifique qui sont généralement utilisés pour des constantes de temps inférieures à quelques centaines de millisecondes (ms). Quant aux batteries, elles ont une densité de puissance très faible et une énergie spécifique élevée, pouvant être utilisées avec une constante de temps supérieure à la minute (mn). En ce qui concerne la pile à combustible, c’est un convertisseur d’énergie et non pas un élément de stockage. Entre les batteries et les condensateurs électrochimiques se trouvent les supercondensateurs qui sont utilisés pour stocker l’énergie avec une constante de temps inférieure à quelques dizaines de secondes. Le tableau 1 résume les performances des trois dispositifs de stockage présentés ci-dessus.

La plupart des supercondensateurs commercialisés utilisent le mécanisme de la double couche électrique (ELDC). Ils sont ainsi constitués de deux électrodes poreuses (anode et cathode) faites en charbon actif en général, d’un électrolyte et d’un séparateur qui est une membrane poreuse et isolante et de collecteurs de courant. Il existe deux méthodes de stockage d’énergie au niveau des supercondensateurs : les supercondensateurs à stockage d’énergie électrostatique et ceux à stockage d’énergie électrochimique.