Supercondensateur - Définition

Introduction

Deux supercondensateurs

Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.

Ces composants permettent donc de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement qu'une batterie.

Principe de fonctionnement

La majorité des supercondensateurs commercialisés sont réalisés selon le procédé double couche électrochimique d'où le sigle anglosaxon EDLC (electrochemical double layer capacitator).

Le supercondensateur est constitué de deux électrodes poreuses, généralement en charbon actif et imprégnées d'électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse (pour assurer la conduction ionique). La couche double électrique se développe sur chaque interface électrode-électrolyte, de sorte que l'on peut voir schématiquement un supercondensateur comme l'association série de deux condensateurs, l'un à l'électrode positive et l'autre à l'électrode négative. La mobilité des anions, beaucoup moins hydratés, est plus grande que celles des cations. Ils se déplacent plus facilement dans la structure du charbon actif et forment une couche d'épaisseur plus faible, de sorte que l'on observe une valeur de capacité d'anode supérieure à celle de cathode. En raison des lois d'association des condensateurs, la capacité de l'ensemble en série est toujours inférieure à la plus faible de ces deux capacités.

On sait que la capacité d'un condensateur est essentiellement déterminée par la géométrie des armatures (surface spécifique S et distance e) et de la nature du ou des isolants (le diélectrique). La formule suivante est souvent utilisée pour en estimer la valeur :

Ici, les molécules de solvant organique jouent le rôle de diélectrique (de permittivité ε). Cela correspond à une faible épaisseur e d'isolant (inférieure au nanomètre) ce qui entraîne que la capacité par unité de surface de ces composants est élevée : de 0,1 F. m^-2 à 0,3 F. m^-2

D'autre part, grâce à l'usage d'un dépôt de charbon actif sur un film en aluminium qui présente des surfaces spécifiques S typiques de 2 000 à 3 000 m² par gramme, la surface de contact entre électrode et électrolyte est immense, ce qui permet d'obtenir des valeurs de capacité considérables.

La tenue en tension est limitée par la décomposition du solvant organique. Elle est actuellement de l'ordre de 2,5 V.

Commercialisation

Les supercondensateurs sont commercialisés sous différents noms et sous différentes appellations commerciales :

• supercapacités : société Batscap, filiale du groupe Bolloré ;
• Ultracapacitors :
  • Ultracaps : société Epcos (ex Siemens-Matsushita) qui a annoncé l'arrêt de cette gamme de produit,
  • Goldcaps : société Panasonic,
  • Boostcap : société Maxwell Technologies,
  • DL Caps : société Nippon Chemi-Con.
  • EESU : société EEStor.

Caractéristiques

• La tension maximale par élément est actuellement d'environ 2,7 V (record détenu par Maxwell)
• Ce type de condensateur n'est pas polarisé.
• La résistance interne est très faible ce qui autorise une charge ou une décharge avec de forts courants
• En conséquence, le temps de charge peut être de l'ordre de quelques secondes.

Concernant les densités d'énergie, elles sont comprises entre 0,5 et 10 Wh/kg pour les supercondensateurs du commerce. L'université du MIT en a réalisé un atteignant 30 Wh/kg, les firmes japonaises Advanced Capacitor Technologies et JEOL annoncent avoir développé un supercondensateur d'une densité d'énergie de 20 Wh/kg, tandis que la société EEStor affirme que ses prochains produits offriront une densité de plus 300 Wh/kg.