Supercondensateurs hybrides à base d'os d'olive recyclés
2016/09/01 Goikolea Nuñez, Eider - CIC Energiguneko ikertzailea | Mysyk, Roman - CIC Energiguneko ikertzailea | Redondo Negrete, Edurne - CIC Energiguneko ikertzailea | Ajuria Arregi, Jon - CIC Energiguneko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria
Le modèle actuel d'énergie globale conditionne totalement la nature socio-économique et les zones environnementales des pays. De plus, le sommet climatique parisien a montré que le modèle de production d'énergie basé sur les combustibles fossiles est directement influencé par les changements climatiques en raison des émissions de gaz à effet de serre, tandis que le modèle énergétique actuel est insoutenable pour l'environnement1. Les responsables de ces émissions de gaz à effet de serre sont différents types de stimulants que, d'une certaine façon, nous devons influencer sur eux si nous voulons récupérer la santé de notre monde. Les chercheurs qui se consacrent au stockage de l'énergie ont identifié deux de ces facteurs et nous allons essayer de mettre notre grain de sable dans cette lutte. D'une part, 25% des émissions de gaz à effet de serre proviennent du secteur électrique et 14% du transport, où la moitié des émissions proviennent des véhicules2.
D'une part, il faut donc développer un modèle énergétique alternatif basé sur les énergies renouvelables une fois pour toutes, qui permette un équilibre durable entre le socio-économique et l'environnement. Cependant, pour le développement d'un modèle de production basé sur les énergies renouvelables, il existe des limites à surmonter tant du point de vue technologique que d'accessibilité. On sait que les sources d'énergie renouvelables ne sont pas continues, de sorte que la production d'énergie dépendra de la disponibilité du soleil, du vent ou de l'eau à chaque instant. Pour dépasser cette limite, il est nécessaire de disposer de systèmes de stockage d'énergie efficaces qui permettent de stocker l'énergie excédentaire et d'assurer l'alimentation en énergie lorsque votre génération n'est pas possible. D'autre part, il est très important de donner au véhicule électrique la dernière impulsion qui lui manque pour sa commercialisation, afin d'atténuer les émissions de gaz à effet de serre et de récupérer la santé et la qualité de vie de l'air des villes et villages dans lesquels nous vivons. C'est pourquoi, ces dernières années, le développement de systèmes de stockage d'énergie a suscité un grand intérêt.
Systèmes de stockage d'énergie : batteries et condensateurs
Au cours des deux dernières décennies, l'intérêt de la communauté scientifique a porté sur le développement de différents types de batteries ou de condensateurs électrochimiques, en fonction des caractéristiques de certaines applications. Les batteries sont capables de stocker des densités d'énergie supérieures aux condensateurs, malheureusement la puissance qu'elles peuvent offrir est très petite et le processus de stockage se fait par des réactions chimiques non totalement réversibles, de sorte que la durée de ces dispositifs n'est pas non plus durable.
D'autre part, ces dernières années, les supercondensateurs prennent de la force, devenant une alternative ou un complément des batteries. Les supercondensateurs stockent l'énergie à travers des processus physiques, par électrorisation des ions qui a lieu à la surface des matériaux, permettant des puissances élevées et de longues durées, ainsi que le développement de technologies hybrides plus efficaces pour le stockage d'énergie.
Les caractéristiques de stockage d'énergie et de puissance des batteries et des condensateurs sont résumées dans le graphique appelé Ragone Plot, dans lequel la densité énergétique est représentée par rapport à la densité de puissance, montrant le temps de décharge des appareils sur les lignes diagonales.
Cependant, les périphériques de stockage d'énergie ne sont pas évalués uniquement en fonction de leur capacité de stockage d'énergie et de puissance. D'autres facteurs, tels que les temps de chargement et de déchargement, la température d'utilisation, la sécurité ou le cycle de vie et le coût, sont déterminants pour sélectionner et commercialiser l'utilisation de ces appareils.
Il convient de noter que les supercondensateurs, contrairement aux batteries, peuvent être téléchargés en secondes et chargés en secondes. Cette caractéristique est très importante dans les systèmes de récupération d'énergie, comme par exemple dans les véhicules ou les ascenseurs électriques qui récupèrent l'énergie de freinage. De même, les supercondensateurs sont capables de fournir de grandes puissances à des températures extrêmes basses et élevées. Ce facteur les rend très attractifs pour les applications avec des conditions extrêmes comme l'industrie aérospatiale.
Cependant, les supercondensateurs présentent également des faiblesses opérationnelles, la tension de travail étant la plus significative. Dans les batteries, la tension de travail est proche de 4 V, tandis que dans les supercondensateurs elle est limitée à un maximum de 3 V, ce qui limite la densité énergétique.
La caractéristique la plus attrayante lors de la commercialisation est sa longue durée. Bien qu'en principe les batteries accumulent de l'énergie par des réactions chimiques réversibles, les matériaux des électrodes subissent des changements structurels. Ces changements génèrent des erreurs qui obligent à détériorer le système à mesure que la charge/décharge progresse. Les supercondensateurs, au contraire, utilisent des processus physiques totalement réversibles, évitant ainsi cette inflammation, garantissant la stabilité mécanique et allongeant la durée du dispositif jusqu'à des millions de cycles.
Futur : supercondensateurs hybrides
Comme la technologie évolue, de plus en plus de dispositifs ont besoin d'énergie et de grandes puissances. Actuellement, la stratégie pour répondre à ces besoins consiste à connecter en série batteries et supercondensateurs à travers un circuit externe. Ces derniers temps, cependant, il existe une idée novatrice qui s'est présentée comme une alternative à cette stratégie : les supercondensateurs hybrides. Son fondement est de combiner une électrode de type supercondensateur avec une électrode de type batterie pour unir les meilleures caractéristiques des deux technologies en un seul dispositif. Cette idée combinatoire a été publiée pour la première fois en 2001 comme concept, combinant une électrode de type batterie à haute densité énergétique (lto-lithium titanate) avec une électrode de type supercondensateur à haute puissance (ac-activated carbon) 4.
Ces systèmes sont composés de supercondensateurs et de batteries, qui peuvent stocker 5 à 10 fois plus d'énergie que les premiers tout en conservant des valeurs élevées de puissance 5. Normalement, ces LIC (lithhium ion capacitor en anglais, LIC) utilisent du charbon actif de haute surface comme électrode positive et une intercalation composite, typiquement graphite, en électrode négative. Pendant la charge de la LIC, l'intercalation des ions lithium se produit dans l'électrode négative et l'adsorption des anions présents dans l'électrolyte dans l'électrode positive. Dans le processus de décharge, les ions au lithium sont extraits de l'électrode négative et les anions sont désorientés de l'électrode positive. Malheureusement, le graphite n'a pas de lithium à l'intérieur, et l'introduction du lithium dans le graphite doit être effectuée par un procédé externe appelé pré-litiation. La pré-litiation est nécessaire : a) pour disposer d'un système à haute tension (4 V), b) pour éliminer la capacité irréversible de l'électrode négative, c) pour réduire la résistance des électrodes et d) pour que le système puisse supporter plus de cycles de charge/décharge. Malgré le grand obstacle technologique que suppose la pré-litiation, il a déjà été dépassé et les premiers supercondensateurs hybrides sont sur le marché, combinant les avantages des batteries et des supercondensateurs 6.
Os d'olive
L'os d'olive est un matériau lignocellulosique composé de lignine, cellulose et hémicieluleuse. Ces trois composants apparaissent dans la proportion appropriée pour obtenir des charbons à haute densité dans l'os de l'olive. La châtaigne des os d'olive permet d'obtenir du charbon dur (hard carbon, HC). En activant chimiquement ce HC par KOH nous obtiendrons l'AC. Le HC présente des caractéristiques similaires à celles du graphite, mais les couches de graphène sont désordonnées ouvrant la voie à de plus grandes capacités dans le matériau (en plus d'intercaler le lithium entre les couches, on peut adsorber dans les pores). De plus, en plus du lithium, il permet l'utilisation du sodium (on ne peut pas utiliser de sodium avec le graphite). La discussion sur l'épuisement du lithium est sur la table. Il y a de grands intérêts économiques, et selon l'observateur (c'est-à-dire l'intéressé) la réponse sera affirmative ou non. Cependant, le facteur qui ne prend pas en charge l'interprétation est la localisation géographique des sources de lithium dans le monde. Près de 85% des réserves mondiales de lithium se trouvent dans la région géographique sud-américaine appelée Triangle de la Lithium, plus précisément dans les environs de Puna d'Atakama, où se trouvent la saline d'Uyuni (Bolivie), la saline d'Homme Mort (Argentine) et la saline d'Atapuma (Chili). Par rapport au lithium, on peut trouver du sodium partout et son coût d'extraction est très inférieur à celui du lithium, de sorte que le remplacement du graphite par HC est une valeur ajoutée intéressante.
Dans ce travail, nous avons synthétisé l'électrode type batterie de HC en recyclant l'os d'olive bio-résiduelle et l'électrode type ac-supercondensateur. En combinant ces électrodes sur un seul appareil, nous avons été en mesure de fabriquer des appareils hybrides de longue durée basés sur la technologie Li-ion ou Na-ion au niveau du laboratoire avec une énergie et une puissance élevées. Ces dispositifs peuvent conditionner l'évolution des deux technologies les plus importantes qui façonneront notre société à l'avenir : d'une part, les dispositifs basés sur l'ion lithium, avec des densités élevées d'énergie et de puissance et de longue durée, sont très appropriés pour leur déploiement sur des véhicules électriques. En outre, les appareils basés sur l'ion sodium ne peuvent pas rivaliser avec le lithium dans des paramètres de puissance et de durabilité, mais ils pourraient être moins chers (la technologie Na-ion est encore à commercialiser) et, par exemple, ils peuvent être utilisés comme systèmes de stockage dans le domaine des énergies renouvelables, où un cycle de charge ou deux cycles quotidiens peuvent être suffisants et pas aussi importants que la puissance, mais un coût moindre permettrait de maintenir le prix compétitif des énergies renouvelables.
Les caractéristiques des dispositifs LIC et NIC (sodium-ion capacitor en anglais, NIC), obtenus grâce à la combinaison de HC et AC obtenus à partir de l'os de l'olive, sont bien meilleures que celles d'un supercondensateur fabriqué à partir de l'os de l'olive. Les mesures ont été réalisées dans une fenêtre à tension réduite (2,2-3,8 V) pour des durées longues comparables aux supercondensateurs. Comme on peut le voir, les deux nouvelles technologies améliorent grandement la densité énergétique du supercondensateur en faibles densités de puissance, presque en triplant la valeur de la densité énergétique. Dans les grandes puissances, la LIC continue d'améliorer les caractéristiques du supercondensateur, pas le CIN. En raison de la plus grande taille de l'ion sodium, la résistance de diffusion est plus élevée dans le matériau, de sorte que les charges et les décharges sont moins rapides et les valeurs de puissance sont limitées. En outre, les deux appareils ont une longue durée (LICs 50.000 et NIC 5.000 cycles de chargement/déchargement). Cependant, le sodium entraîne une dégradation mécanique beaucoup plus importante que le lithium en raison de sa plus grande taille dans le HC, ce qui augmente l'inflammation du matériau et donc réduit la durée du dispositif.
Bibliographie Bibliographie
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
