"Les supercondensateurs ont une place particulière dans les applications"
"Les supercondensateurs ont une place particulière dans les applications"
Qu'est-ce qu'un condensateur ?
Feu Ione: Le condensateur est, en définitive, un système de stockage d'énergie formé par deux plaques métalliques (électrodes) et un matériel diélectrique entre elles. Par conséquent, les caractéristiques du condensateur sont données par deux facteurs principaux: la quantité d'énergie qu'il stocke et sa puissance, c'est-à-dire le temps qu'il peut libérer l'énergie accumulée. Les condensateurs conventionnels ne peuvent pas stocker beaucoup d'énergie, mais leur libération est très rapide, c'est-à-dire ils sont de grande puissance.
Ritxar Aizpurua: De nombreuses applications électriques, tout en ayant une consommation de base, nécessitent à un moment donné une grande puissance. Donc, pour répondre à cette demande soudaine, il existe deux options: installer une puissante source primaire d'alimentation, qui pendant la plupart du temps est perdu de façon inutile ou utiliser un condensateur. Le condensateur répond au pouls instantané et se charge entre les impulsions. Il est donc un réservoir d'énergie.
Et qu'est-ce que le supercondensateur ? À quels besoins répondez-vous ?
I. S: Comme nous l'avons dit, dans certaines applications, il faut une grande puissance instantanée, comme par exemple dans une voiture électrique, en montant des pentes ou en avançant une autre voiture. Dans ce cas, la capacité de stockage et la disponibilité de grandes puissances seraient très utiles. Ce sont les caractéristiques du supercondensateur: il est capable de stocker beaucoup plus d'énergie que les condensateurs conventionnels et a également une puissance beaucoup plus grande que la batterie. Le supercondensateur ajoute donc les avantages des batteries et des condensateurs conventionnels.
Quelle est la différence entre les deux?
I. S: Une batterie a une puissance spécifique de 1000 W/kg, approximativement, le condensateur conventionnel de 100.000 W/kg et le supercondensateur de 10.000 W/kg. Il faut garder à l'esprit que ces chiffres sont standard et, bien sûr, plus puissant, mais ils servent à avoir une référence. Énergétiquement, la batterie peut stocker entre 10-100 Wh/kg, le supercondensateur entre 5-10 Wh/kg et le condensateur conventionnel 0,01-0,1 Wh/kg.
Comment le supercondensateur stocke-t-il autant d'énergie ?
I. S: La charge accumulée par un condensateur conventionnel peut être augmentée en augmentant la surface des deux électrodes et en réduisant la distance entre les deux. Mais ce n'est pas une méthode très pratique, car pour certaines applications, il faudrait un condensateur géant.
Pour la fabrication du supercondensateur, on utilise des matériaux poreux, généralement du carbone, au lieu d'électrodes métalliques, obtenant des électrodes de grande surface. En mettant en contact ces électrodes avec un électrolyte se forme une double couche de charge électrique, c'est-à-dire que le carbone acquiert une charge positive et l'électrolyte une charge négative. En raison de la grande surface de la double couche, beaucoup d'énergie est accumulée dans ce système, augmentant la capacité du supercondensateur avec la surface de l'électrode.
La fonction des plaques métalliques dans les condensateurs conventionnels est-elle donc conforme au carbone dans le supercondensateur ?
I. S: Oui, et la fonction du matériau interlaminaire est remplie par la double couche qui est formée en ajoutant l'électrolyte. Et avec une si grande surface de l'électrode, la capacité augmente énormément; dans les condensateurs conventionnels la capacité est mesurée en picofarades et dans les supercondensateurs en guirlandes, des centaines de phares ou, au maximum, en milliers de phares.
Quant à la puissance, combien de temps les supercondensateurs peuvent-ils libérer de l'énergie ?
R. A. Les condensateurs conventionnels peuvent alimenter le système en quelques millisecondes, et les supercondensateurs en quelques dixièmes de seconde ou quelques secondes et en quelques minutes au maximum, tandis que les batteries peuvent durer des heures, des jours ou des semaines.
Tous les supercondensateurs sont-ils égaux ?
I. S: Non, selon la nature de l'électrode, ils peuvent être de trois types: carbone, oxyde de métaux et polymères. Cependant, les électrodes de carbone sont les plus utilisés, car tous ceux qui sont vendus sur le marché utilisent les électrodes de carbone parce qu'ils sont beaucoup plus stables que d'autres.
Des électrolytes aqueux ou organiques peuvent également être utilisés. Parmi les aqueux, la potasse et l'acide sulfurique sont généralement utilisés. Cependant, ils ne peuvent pas être utilisés avec un potentiel supérieur à 1,2 volts, car de là l'eau est décomposée. Ceci est important parce que l'énergie qui accumule est proportionnelle à la tension. Par conséquent, les électrolytes aqueux ne peuvent pas stocker autant d'énergie que les électrolytes organiques.
Avec des électrolytes organiques la tension peut augmenter jusqu'à 2,3 volts. Dans ce cas, nous utilisons le tétraéthylamonio-tétrafluoroborate dans l'acétonitrile. La résistance générée par ces molécules est supérieure à celle générée par les électrolytes aqueux, de sorte que les organiques ont moins de puissance (nécessitent plus de temps pour libérer de l'énergie).
En théorie, nous devrions choisir en fonction de l'application si elle nécessite électrolyte, puissance ou haute énergie, mais en pratique tous les supercondensateurs présents sur le marché ont des électrolytes organiques, puisque la différence de tension est très élevée par rapport aux aqueux.
Ce carbone est-il sous forme de graphite ?
I. S: Non, parce que le graphite a une surface spécifique très basse, inférieure à 20 m 2 /g. Les électrodes fabriquent du carbone actif, avec une surface d'environ 2.000 m 2 /g. Sans cette surface minimale, ils ne fonctionnent pas correctement. En outre, il est important que la taille des pores soit adéquate, car les ions de l'électrolyte doivent pouvoir pénétrer dans les pores.
Enfin, la qualité est donnée par la grande surface et par l'adéquation du diamètre du pore à la taille de l'ion. C'est pourquoi différents matériaux de carbone (nanotubes, nanofibres, aérogèles, etc.) sont étudiés depuis CIDETEC. et ses traitements d'activation.
Quelle est la source d'énergie primaire la plus appropriée pour les supercondensateurs ?
R. A. Il existe actuellement de nombreuses technologies qui peuvent être utilisées comme sources primaires d'énergie: générateurs d'air, panneaux photovoltaïques, piles à combustible, etc., mais peut-être les plus utilisées pour le moment sont les batteries. Chaque jour, il ya de meilleures batteries sur le marché, capables de stocker beaucoup d'énergie et d'offrir de grandes puissances. Par exemple, les batteries Ni/Cd ou NiMH au lithium ionique/polymère ont déjà été améliorées. Cependant, ils sont de plus en plus chers.
Par conséquent, les supercondensateurs peuvent être utilisés avec des batteries moins chères, qui accumulent une grande quantité d'énergie, et bien qu'ils ne puissent pas répondre aux impulsions d'énergie, des systèmes de supercondensateur de batteries peuvent être utilisés.
Sur quels systèmes peut-on appliquer ce type de solutions?
R. A. Sur les téléphones mobiles, par exemple, les batteries Ni/Cd sont très utilisées car elles sont adaptées pour donner des impulsions. Les téléphones mobiles nécessitent deux ampères très courts mais très fréquents. Cependant, des batteries de faible puissance pourraient également être utilisées si elles sont capables de charger le supercondensateur entre les impulsions. Le condensateur libérerait des impulsions d'énergie, surtout en se connectant ou en appelant le répéteur.
I. S: De plus, le travail des batteries est facilité et leur durée de vie peut être prolongée de 10 à 20 %.
Testez-vous ce type de système chez CIDETEC ?
R. A. Oui, c'est un de nos objectifs. Nous avons déjà réussi à alimenter un téléphone mobile avec une pile de carburant, mais avec l'aide du supercondensateur, car la densité de puissance des piles à combustible est assez faible. D'autre part, nous travaillons sur un système qui unit supercondensateurs et batteries pour alimenter des systèmes d'impulsions à haute puissance éloignés du réseau électrique. Cependant, nous recherchons constamment de nouvelles applications pour l'utilisation de supercondensateurs.
Diriez-vous d'autres applications accrocheuses ?
R. A. L'exemple des voitures électriques est très illustratif pour comprendre l'utilisation des supercondensateurs : pour dépasser une autre voiture, monter une pente ou accélérer brusquement, on peut utiliser l'énergie accumulée par le supercondensateur. Ainsi, la source primaire d'énergie ne doit pas être très grande, de sorte que le système est bon marché et léger. En outre, ce système peut aider à réduire la consommation si vous utilisez l'énergie de freinage pour charger le condensateur.
Quels sont les problèmes de ces systèmes ?
R. A. Par exemple, la décharge spontanée est un gros problème. Les condensateurs sont valides lorsqu'ils sont utilisés mais ne conviennent pas au stockage d'énergie, s'ils ne libèrent pas d'énergie ils perdent au fil du temps. Par conséquent, vous devez rechercher les bonnes applications, sinon ils ne donnent que des problèmes. S'ils sont sur le circuit, ils doivent être utilisés.
En outre, le niveau de tension des supercondensateurs est faible (1V-2,5 V) et doivent être connectés en série pour obtenir des tensions plus élevées et utiles.
Des applications seront inventées; dans de nombreux articles, il a été écrit que les supercondensateurs sont une nouvelle solution et il faut maintenant chercher des problèmes avec ces solutions. Ils sont utiles sur les téléphones mobiles, les voitures, les appareils photo et de nombreux autres appareils. Ils peuvent également être utilisés pour traiter les interruptions de courant sur les ordinateurs, car ils peuvent fournir du temps pour stocker les informations contenues dans la mémoire.
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