Supercapacités EDLC. Supercondensateurs. Supercap. Capacité électrochimique. Pseudocapacité Condensateur électrochimique

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Jean-Luc Monette
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et des Matériaux de Montpellier UMR 5253 - Institut de Chimie Moléculaire Supercapacités Pseudocapacité Condensateur

1 et des Matériaux de Montpellier UMR Institut de Chimie Moléculaire Supercapacités Pseudocapacité Condensateur électrochimique Ultracapacités EDLC Supercap Supercondensateurs Capacité électrochimique UMR CNRS, UM2, ENSCM, UM1

Condensateur électrochimique Ultracapacités EDLC Supercap

2 Qu'est-ce qu'un supercondensateur? Je suis un condensateur

3 Qu'est-ce qu'un supercondensateur? Maintenant, je suis un supercondensateur

4 Condensateur conventionnel 2 armatures métalliques séparées par un isolant (diélectrique) Épaisseur de l isolant : e (cm) Surface des plaques : S (cm2) - Expression de la capacité d un condensateur conventionnel : C (F) = ε r S / e Permittivité du vide (F/cm) Constante diélectrique de l isolant

(cm2) - Expression de la capacité d un condensateur conventionnel : C (F) = 8.

5 Condensateur conventionnel Quelques valeurs Diélectrique = polymère (PVDF, PET, PP, ) Deux électrodes en aluminium (zinc, ) C (F/cm2) = ε r. e 10-3 µf/cm µm = 10-3 cm Pour un condensateur de 1mF, il faut 106 cm2 soit 100 m2 de polymère!!

6 Condensateur conventionnel Energie spécifique potentiel (V) Umax I = dq/dt et Q (C) = C(F) x U(V) soit dq = C du Umoy I dt = C du ou du = I/C dt sous courant constant : U = I/C t 0 I constant décharge t temps (s) Énergie spécifique : E = U I dt = CUdU entre U=0V et U=Umax Énergie spécifique : E = ½ C Umax2 quelques µf ou mf Dépend de la tension de claquage Pour un condensateur Al/PVDF/Al de 1mF, une tension de 500V, l énergie est de 125 J ou 0,125 J/cm3 0,1 J/g soit Wh/kg

spécifique : E = U I dt = CUdU entre U=0V et U=Umax Énergie spécifique : E = ½ C Umax2 quelques µf ou mf Dépend de la

7 Condensateur conventionnel Puissance spécifique Énergie spécifique : E = ½ C Umax2 E Wh/kg P = E/t quelques ms ou moins Densité de puissance P = /0,001 s 105 W/kg ou 100 kw/kg Cyclabilité Trés grand nombre de cycles (stockage électrostatique des charges, donc pas de modification de la structure des matériaux) En pratique cycles

3600/0,001 s 105 W/kg ou 100 kw/kg Cyclabilité Trés grand nombre de cycles (stockage

8 Diagramme de Ragone

9 Accumulateurs Energie spécifique E = U.Q Exemple : pour une batterie Li ions E 3V x 100 Ah/kg = 300 Wh/kg Puissance spécifique P = E/t, mais t est limitée (temps de charge/décharge C/4, C/2, C ) Pour t = 3 heures P 100 W/kg Cyclabilité Nombre de cycles limités (réactions électrochimiques «dégradent» progressivement les matériaux d électrode) cycles en pratique

E/t, mais t est limitée (temps de charge/décharge C/4, C/2, C ) Pour t = 3 heures P 100 W/kg

10 Diagramme de Ragone

11 Diagramme de Ragone Pourquoi a-t-on besoin de systèmes intermédiaires?

12 Exemple d un véhicule actuel Equipement électronique de plus en plus présent Vitrage intelligent, capteurs, assistance au conducteur, informatique,

puissance Incidence Chutes de tension Autodécharge Fiabilité des batteries

13 Exemple d un véhicule actuel Véhicule actuel Réseau de bord important Equipements embarqués climatisation, dégivrage éclairage suspension active GPS, radar Appels de puissance Incidence Chutes de tension Autodécharge Fiabilité des batteries (cyclabilité et coût) Poids et densité du câblage Pollution électromagnétique source Mercedes source BMW

14 Exemple d un véhicule actuel Première solution Surdimensionner la batterie avec les risques et limites que cela comporte (une batterie = cycles)

15 Exemple d un véhicule actuel Deuxième solution Délocaliser les sources de puissance Exemple : petite batterie près des lève-vitres Solution viable?

16 Exemple d un véhicule actuel Puissance et énergie demandées On a besoin 25A sous 12V pendant 6s 0,5 Wh pour la batterie (2g!!) Mais il faut la surdimensionner pour avoir de la puissance (300W soit 3kg)

17 Exemple d un véhicule actuel Batterie: solution viable? Si on lève les vitres 4 fois par jour, cela correspond à 1460 fois en un an, soit la durée de vie de la batterie!!

18 Exemple d un véhicule actuel Condensateurs diélectriques classiques Utiliser des condensateurs à la place des batteries On a besoin 25A sous 12V pendant 6s

19 Exemple d un véhicule actuel Condensateurs diélectriques classiques Energie spécifique Énergie spécifique : E = ½ Umax It = 900 J Avec 0,1 J/g, cela représente un condensateur de 9 kg dans chaque portière!!! Avec 0,125 J/cm3, cela représente 7,2L!!! Concrètement, il faut un système qui délivre sous une tension moyenne (quelques volts) une intensité élevé pendant un temps court (quelques secondes)

chaque portière!!! Avec 0,125 J/cm3, cela représente 7,2L!

20 Diagramme de Ragone

21 Supercapacité vs Batterie Characteristics Li-ion Batteries Supercapacitors Power (kw/kg) <1 > 10 Energy (Wh/kg) Life time (cycles) < 5000 (@C) > Discharge time Tens of min. 1s to 1 min. Charge time > tens of min. 1s to 1 min Temp tange -20 C C Efficiency 70% - 95% Cost ( per kwh) Cost ( per kw) C C > 95% * pour récupérer la totalité de l énergie stockée ; ** temps minimal de décharge avec un rendement de 90% A. Burke, Electrochimica Acta 53 (2007) , J. Miller ECS Interface (2008) SCs et batteries sont complémentaires : puissance et énergie

22 Applications nécessitant des énergies constantes dans des temps courts de 1 s à 1 min Pics de puissance Médical (défibrillateurs, rayons X, ) Outillage (visseuse portative, soudage...) Transport Démarrage des véhicules par temps froid Récupération de l'énergie de freinage Électronique de puissance, énergies renouvelables, militaire, spatial,

(sécurité) Couplage batteries/supercondensateurs pour économiser la

23 Transport Transports urbains propres (bus / tramways sans caténaires) Trains à motrice hybride Automobile (hybridation légère) Avionique (sécurité) Couplage batteries/supercondensateurs pour économiser la batterie (durée de vie et coût) Bus Tohyco HTA Luzern source PSA-peugeot-citroën

24 Transport source PSA-peugeot-citroën Réduction de la section de câblage (gain en masse et en coût) Diminution de électromagnétique la pollution Freinage régénératif Potentiel d innovations : véhicule à moteur roue, ouverture de sécurité, assistance au démarrage % carburant, CO2 < 130g/ km

deux stations 1 minute Irréalisable à partir de

25 Transport Tramways sans caténaires Charge des supercapacités en station 1 minute Décharge entre deux stations 1 minute Irréalisable à partir de batteries (ou nécessité de surdimensionner les batteries )

26 Transport Ouverture d'urgence des portes de A portes alimentées par des modules Maxwell de 35 V / 28.5 F

27 Energie Renouvelable Utilisation dans des applications stationnaires (éolien, énergie de la houle, solaire, ) Couplage batteries/supercondensateurs pour absorber les demandes de puissance instantanée et répondre aux problématiques de stockage tampon (durée de vie batterie/durée de vie du dispositif) Régulation de la tension d entrée (load-levelling) Hydrohélix énergies

28 Gestion énergétique Récupération de l énergie potentielle ou cinétique Grues, ascenseurs, engins de travaux publics, -40% fuel, -25% CO2

Dispositifs commerçiaux Maxwell NessCap De cellules - 0.

29 Dispositifs commerçiaux Maxwell NessCap De cellules F à 9000F - 10 g à 1kg Batscap à modules - 5V à 250 V - 50g à 450 kg Nippon Chemi-Con

Pour résumer Supercapacités: - forte puissance (10-20 kw/kg) - énergie : 5 Wh/kg - constante de temps : ~ 5 s - 100 000 à 1M cycles P. Simon, Y.

30 Pour résumer Supercapacités: - forte puissance (10-20 kw/kg) - énergie : 5 Wh/kg - constante de temps : ~ 5 s à 1M cycles P. Simon, Y. Gogotsi, Nature Materials, 7 (2008) Performances entre les condensateurs et les batteries Différents types de supercapacités: - Dispositifs à double couche à base de carbone (~ 90% des dispositifs commerciaux) - Dispositifs faradiques ou pseudo-capacités à base d'oxide (ou polymere)

: Emax = 1 V Electrolyte organique: Emax = 2.

31 Double couche vs Faradique Stockage électrostatique dans la double couche V : - adsorption d'ion à la surface de C - charge de la double couche (10-20 µf/cm²) Carbone poreux (grande surface) ( m²/g) 100 F/g Electrolyte aqueux : Emax = 1 V Electrolyte organique: Emax = 2.7 V Caractéristiques principales : - Pas de redox pour puissance - Cyclabilité : > 106 cycles - Charge/décharge rapides (quelq sec) Circuit équivalent simplifié - Basses températures (-40 C)

Double couche vs Faradique Stockage faradique dans les pseudocapacités MnO2 : transition Mn(III)/Mn(IV) V : - adsorption/insertion/intercalation d'ions - charge redox Oxides métallique à redox rapide

32 Double couche vs Faradique Stockage faradique dans les pseudocapacités MnO2 : transition Mn(III)/Mn(IV) V : - adsorption/insertion/intercalation d'ions - charge redox Oxides métallique à redox rapide Jusqu'à 600 F/g Caractéristiques principales : - Plus forte énergie : > 5 Wh/Kg - plus sûr/écocompatible - Cyclabilité : > 105 cycles - Charge/décharge rpide (quelq. 10zaines sec) - Basses temperatures (-40 C) Electrolyte aqueux dans les systèmes hybrides: Emax = 1.8 V

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