et des Matériaux de Montpellier UMR 5253 - Institut de Chimie Moléculaire Supercapacités Pseudocapacité Condensateur électrochimique Ultracapacités EDLC Supercap Supercondensateurs Capacité électrochimique UMR 5253 - CNRS, UM2, ENSCM, UM1
Qu'est-ce qu'un supercondensateur? Je suis un condensateur
Qu'est-ce qu'un supercondensateur? Maintenant, je suis un supercondensateur
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) = 8.85.10-14 ε r S / e Permittivité du vide (F/cm) Constante diélectrique de l isolant
Condensateur conventionnel Quelques valeurs Diélectrique = polymère (PVDF, PET, PP, ) Deux électrodes en aluminium (zinc, ) C (F/cm2) = 8.85.10-14 ε r. e 10-3 µf/cm2 10 10µm = 10-3 cm Pour un condensateur de 1mF, il faut 106 cm2 soit 100 m2 de polymère!!
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 3.10-2 Wh/kg
Condensateur conventionnel Puissance spécifique Énergie spécifique : E = ½ C Umax2 E 3.10-2 Wh/kg P = E/t quelques ms ou moins Densité de puissance P = 3 10-2.3600/0,001 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 106-107 cycles
Diagramme de Ragone
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) 500-2000 cycles en pratique
Diagramme de Ragone
Diagramme de Ragone Pourquoi a-t-on besoin de systèmes intermédiaires?
Exemple d un véhicule actuel Equipement électronique de plus en plus présent Vitrage intelligent, capteurs, assistance au conducteur, informatique,
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
Exemple d un véhicule actuel Première solution Surdimensionner la batterie avec les risques et limites que cela comporte (une batterie = 500-2000 cycles)
Exemple d un véhicule actuel Deuxième solution Délocaliser les sources de puissance Exemple : petite batterie près des lève-vitres Solution viable?
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)
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!!
Exemple d un véhicule actuel Condensateurs diélectriques classiques Utiliser des condensateurs à la place des batteries On a besoin 25A sous 12V pendant 6s
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)
Diagramme de Ragone
Supercapacité vs Batterie Characteristics Li-ion Batteries Supercapacitors Power (kw/kg) <1 > 10 Energy (Wh/kg) 100-150 5 Life time (cycles) < 5000 (@C) > 1 000 000 Discharge time Tens of min. 1s to 1 min. Charge time > tens of min. 1s to 1 min Temp tange -20 C - +70 C Efficiency 70% - 95% Cost ( per kwh) 500 5000 Cost ( per kw) 60 120 20-40 -40 C - +70 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) 1083 1091, J. Miller ECS Interface (2008) SCs et batteries sont complémentaires : puissance et énergie
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,
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
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... -15 % carburant, CO2 < 130g/ km
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 )
Transport Ouverture d'urgence des portes de A380 16 portes alimentées par des modules Maxwell de 35 V / 28.5 F
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 http://www.eole.org http://www.ines-solaire.com/
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 - 0.1 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. Gogotsi, Nature Materials, 7 (2008) 845-854 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)
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) (1000-2000 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 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