Autodécharge des supercondensateurs et courant de fuite

autodecharge supercondensateur

Autodécharge d'un supercondensateur selon le niveau de tension initial

Les supercondensateurs sont de plus en plus utilisés dans des applications de plus en plus variées. La baisse de prix et l'augmentation des performances des supercondensateurs va augmenter encore le taux d'utilisation de ce système de stockage de l'électricité. Il est donc utile de connaître l'un des points faibles des supercondensateurs qu'est l'autodécharge et de comprendre ses caractéristiques afin de pouvoir choisir les meilleurs supercondensateurs selon ses besoins et pour les utiliser de façon adéquat.

L'auto-décharge évolue de façon dégressive et non linéaire. La vitesse d'autodécharge dépend du niveau de tension, de la température, des imperfections du séparateur et des impuretés présentes dans l'électrolyte et sur les électrodes. Selon la technique de fabrication utilisée et selon la capacité du supercondensateur, la vitesse d'auto-décharge peut beaucoup varier.

Auto-décharge d'un supercondensateur selon le niveau de tension initial (source)

En moyenne, les supercondensateurs perdent 50% de leur charge au bout d'un mois, mais avec une vitesse d'autodécharge élevée les premières heures et ensuite de plus en plus faible...


Un supercondensateur subit 4 mécanismes distincts d'autodécharge :

  • Autodécharge due à la dispersion des charges dans les pores
    (faible durant quelques secondes)
  • Autodécharge par diffusion liée au processus d'oxydoréduction
    (due à des impuretés - premières heures)
  • Autodécharge due au courant de fuite
    (impuretés et imperfection du séparateur - faible courant)
  • Autodécharge due à la surtension
    (impuretés et réactions irréversibles)

Les quatre mécanismes d'autodécharge

Autodécharge due à la dispersion des charges dans les pores

Juste après la charge d'un supercondensateur, une auto-décharge du supercondensateur visible durant quelques secondes est due à une redistribution de la charge entre les pores des électrodes. Le maintient de la charge pendant un certain temps lorsque le supercondensateur atteint la tension désirée permet de bien répartir la charge dans les électrodes poreuses et permet donc de limiter ce phénomène qui reste mineur par rapport aux autres mécanismes d'auto-décharge.

Autodécharge par diffusion liée au processus d'oxydoréduction

Quand la tension d'un supercondensateur dépasse une tension de seuil, une accumulation de concentrations d'espèces ioniques a lieu à l'interface électrode-électrolyte. Après l'arrêt du courant de charge dans le composant, la majorité des charges restent en place formant la double couche, mais une part des charges compte tenu de la présence d'impuretés (eau et oxygène principalement) se recombine, ce qui entraîne une autodécharge. Quelques espèces ioniques vont se diffuser vers l'électrolyte et d'autres à la surface de l'électrode.

Ce type d'autodécharge est le type prédominant durant les premières heures. L'auto-décharge peut ainsi être réduite en éliminant toutes traces d'eau dans un électrolyte organique. Pour les électrodes de carbone, l'élimination des hétéroatomes, et en particulier de l'oxygène, permet de minimiser considérablement les réactions d'oxydoréduction parasites.

Autodécharge due au courant de fuite

Le transfert d'électrons entre les électrodes dû à la présence d'impuretés et à l'imperfection du séparateur engendre un faible courant entre les deux électrodes d'un supercondensateur. La valeur de ce courant de fuite dépend essentiellement de la concentration des impuretés et de l'épaisseur de la membrane poreuse. Les fabricants peuvent utiliser un séparateur épais pour diminuer le courant de fuite, mais cette opération augmente en même temps la résistance ESR.

Autodécharge due à la surtension

Quand le supercondensateur est chargé à une tension supérieure à la tension seuil de la décomposition de l'électrolyte et quand des impuretés existent, des réactions irréversibles peuvent avoir lieu, la décomposition de l'électrolyte s'accompagnant généralement d'un dégagement gazeux sous surtension (O2, H2, etc.).

Un supercondensateur ne doit pas être chargé à une tension supérieure à sa tension nominale pour éviter ce phénomène.



Les deux principaux mécanismes d'autodécharge sont le processus d'oxidoréduction qui a lieu durant les premières heures et le courant de fuite qui diminue avec le temps. La vitesse d'auto-décharge est également impactée par le niveau de tension et la température...

Effet de la tension

Plus la tension est élevée, plus l'autodécharge est forte. Par conséquent, après une charge à 2,5V d'un supercondensateur, la tension baisse toute seule assez rapidement dans un premier temps, mais de moins en moins vite par la suite. A 0.5V, il n'y a quasiment plus d'auto-décharge.

La tension élevée provoque dans les premières heures le processus de diffusion lié à l'oxydoréduction et donc un premier niveau d'autodécharge. D'un point de vue de stabilité thermodynamique, il existe en permanence une force qui tend à ramener le système vers l'état déchargé. Plus le supercondensateur est chargé à une tension élevée, plus cette force est importante et inversement si la tension est faible. Le courant de fuite est donc de moins en moins fort avec la baisse de tension du supercondensateur. On peut même constater une faible récupération de tension sous les 0,5V à une température de 25°C.

Effet de la température

L'augmentation de la température augmente la mobilité des espèces ioniques et accélère fortement le processus faradique conduisant à un excédent de la concentration ionique près des électrodes. Par conséquent, l'autodécharge du processus lié à l'oxydoréduction augmente beaucoup et sur une plus longue durée avec l'augmentation de la température (surtout à 65°C).

Pour maintenir l'énergie stockée à long terme dans les supercondensateurs, il est donc préférable qu'ils soient à une température inférieure à 25 °C.

Autodécharge selon la température

Autodécharge pour des températures de -25, 0, 25, 45 et 65 °C (source)

Effet du vieillissement sur l'autodécharge

Les supercondensateurs présentent une cyclabilité impressionnante souvent supérieure à 1 million de cycle de recharge contre 200 à 2000 cycles pour les batteries. Mais les supercondensateurs utilisent également un électrolyte qui se décompose avec le temps. Selon les techniques de fabrication utilisées, les supercondensateurs ont une durée de vie allant tout de même de 10 à 20 ans (certains vont jusqu'à 30 ans) si les conditions d'utilisation sont respectées.

Les supercondensateurs ayant une faible autodécharge ont aussi une durée de vie plus élevée, car une auto-décharge élevée indique un niveau important d'impuretés et de réactions faradiques sur les électrodes. Avec le temps, il y a une dégradation des matériaux réduisant ainsi la capacité et augmentant la résistance du supercondensateur. L'amplitude de l'autodécharge peut donc être un bon indicateur de la qualité du supercondensateur.

L'augmentation de l'auto-décharge avec le vieillissement est due à la décomposition de l'électrolyte. Cette dernière amplifie les réactions d'oxydoréduction et peut produire des groupes oxygénés de surfaces qui vont diminuer la capacité du supercondensateur.

Techniques de fabrication et taille du supercondensateur

Pour diminuer la vitesse d'autodécharge, il faut limiter au maximum la présence d'impuretés dans l'électrolyte et dans la structure des électrodes et avoir un séparateur de qualité et suffisamment épais. Certains producteurs de supercondensateurs arrivent à limiter fortement le nombre de groupements fonctionnels présents à la surface des électrodes, ce qui permet en outre d'augmenter la tension nominale du supercondensateur. Cf. Supercondensateur Maxwell DuraBlue 3400 Farads 2.85V et SkelCap : les supercondensateurs en graphène arrivent sur le marché.

Selon la technique de fabrication il peut donc y avoir des différences au niveau de la vitesse d'autodécharge, mais la taille du supercondensateur est également très impactante. En effet, plus le supercondensateur en grand, moins il y a de défauts et d'impuretés proportionnellement à la capacité du supercondensateur. Les défauts et impuretés sont plus nombreuses au niveau des jonctions et sur les bords. Les bords étant plus rapprochés sur les petits supercondensateurs, on y constate une auto-décharge beaucoup plus importante...

autodecharge selon capacite

Autodécharge d'un supercondensateur 1 F et 400 Farads (source)

Fiches produit des supercondensateurs du commerce

L'autodécharge des supercondensateurs n'étant pas linéaire, il n'est pas possible de décrire simplement les caractéristiques d'autodécharge d'un supercondensateur avec un ou même plusieurs chiffres.

Après une recharge, c'est l'autodécharge liée au processus d'oxydoréduction qui domine pendant les premières heures. Ce processus d'autodécharge n'est pas représentatif car c'est ensuite principalement le courant de fuite qui détermine le taux d'autodécharge d'un supercondensateur dans le temps. Mais le courant de fuite aussi diminue avec la tension du supercondensateur...

Afin de comparer simplement l'autodécharge des supercondensateurs, les producteurs ont donc choisi un point précis dans le temps après la fin de la charge pour mesurer le courant de fuite. Ainsi, la plupart des fiches produit de supercondensateurs indiquent un niveau de courant de fuite après 72 heures (et à 25°C). Si un supercondensateur indique 2mA de courant de fuite après 72 heures, on sait donc que son courant de fuite est sensé être plus élevé avant les 72 heures et moins élevé après.



Source :

Etude et modélisation des supercondensateurs - Mécanismes de l'autodécharge
Thèse de Yasser Diab - Université Claude Bernard Lyon 1, 2009

1 commentaire

Julien 16 février 2016 à 11:28

Super article. Merci, car c'est vraiment agréable à lire.

Depuis le temps que je cherchais sur internet ce type d'information sur les supercondensateurs.

Écrire un commentaire



Quelle est la première lettre du mot xztg ? :