NON, un Supercondensateur n'est pas un Condensateur

interieur supercondensateur

Un supercondensateur décortiqué

Beaucoup de personnes confondent le supercondensateur et le condensateur en pensant qu'un supercondensateur est juste un condensateur amélioré.

En fait, c'est un peu vrai d'un point de vue électronique, mais faux d'un point de vue technologique.

En effet, un supercondensateur a les mêmes caractéristiques de charge et de décharge qu'un condensateur. A ceci prêt qu'on ne gère pas forcément de la même manière un condensateur de 100µF 200V et un supercondensateur 3000F 2,7V. Par contre, un supercondensateur n'est pas conçu tout à fait de la même manière qu'un condensateur en céramique ou qu'un condensateur électrolytique.

De ce point de vue, la confusion entre les deux systèmes complique les discussions sur les avancées technologiques concernant les supercondensateurs. En effet, les personnes connaissant bien les condensateurs essaient d'imaginer ce que peu donner un condensateur survitaminé et n'y voient pas toujours un très grand intérêt. C'est malheureux, car le supercondensateur est un système de stockage de l'électricité technologiquement différent, qui possède des caractéristiques propres et des marges de progression importantes.

Lorsqu'il y a confusion entre condensateur et supercondensateur, il est difficile de parler de l'intérêt de certains matériaux, car des matériaux peuvent être très inefficaces pour créer des condensateurs performants, mais très efficaces pour améliorer les supercondensateurs. D'où des discussions qui tournent en rond entre personnes qui ne parlent pas du même composant.

Il est donc utile d'expliquer avec force et clarté la différence entre un condensateur classique et un supercondensateur (qu'on évitera d'écrire "super condensateur").

Nous allons montrer que si l'on souhaite désigner le supercondensateur comme un condensateur, alors on peut aussi bien le désigner comme étant un accumulateur électrique (souvent appelé "batterie"), car le supercondensateur se situe techniquement entre le condensateur et l'accumulateur électrochimique.

Exemples de supercondensateurs

Les supercondensateurs peuvent être commercialisés en mono-cellule ou être un assemblage de plusieurs supercondensateurs (tout comme les batteries de voitures sont constituées de plusieurs cellules).
Voici quelques exemples de supercondensateurs :

supercondensateurs maxwell

Supercondensateurs Maxwell Technologies

Supercondensateur Maxwell DuraBlue
Maxwell DuraBlue : 3400 Farads - 2,85 Volts
Supercondensateurs Ioxus 1200 et 3000 Farads
Supercondensateurs Ioxus
1200 / 3000 Farads - 2,7 Volts
supercondensateurs skelcap
Skeleton Technologies : SkelCap 1500 à 4500 Farads
Supercondensateur Cap-XX
Supercondensateur CAP-XX 350mF et 70mOhms ESR
Module de supercondensateurs KEMET
Module de supercondensateurs KEMET - 16 à 80 Volts
Module de démarrage Maxwell ESM
Module de démarrage Maxwell ESM : 12 supercondensateurs


Tension et capacité

tension capacite condensateur

Tension et capacité des condensateurs selon la technologie

Les supercondensateurs ont une tension comprise entre 2,5V et 3V et jusqu'à 3,8V pour les supercondensateurs hybrides. Les supercondensateurs 5,5V vendus dans le commerce sont en réalité composés de 2 supercondensateurs connectés en série.

Niveau capacité, les supercondensateurs font entre 0,1 Farad et 12000 Farads.

La densité d'énergie n'atteint pas encore celle des batteries car les batteries Lithium-Ion permettent de stocker 10 fois plus d'énergie dans un même volume, mais les supercondensateurs devraient beaucoup s'améliorer grâce au développement des nanotechnologies. Voir notre article Supercondensateurs graphène 2.8V 30000F et 3V 12000F made in China.

Condensateur, supercondensateur et batterie en vue schématique

Voici des schémas représentant un condensateur céramique, un condensateur électrolytique, un supercondensateur et un pseudo-supercondensateur (cliquer pour zoomer) :

schema condensateurs

Autre schéma représentant un supercondensateur :

schema supercondensateur

Et voici un schéma représentant un accumulateur Lithium-ion :

schema batterie li ion

Les condensateurs

Un condensateur classique permet de stocker l'électricité grâce à deux armatures conductrices (appelées électrodes), séparées par un matériau isolant appelé diélectrique. Lors de la charge, des électrons sont transférés d'une électrode à l'autre à travers un circuit extérieur. Il règne alors dans le condensateur un champ électrique, qui polarise la matière en son sein : les atomes chargés qui la constituent se réarrangent. Cette polarisation est très rapide, ce qui permet une charge ou une décharge quasi instantanée.

La capacité électrique d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante est souvent utilisée pour estimer sa valeur : C = ε x S / e

  • S : surface des armatures en regard
  • e : distance entre les armatures
  • ε : permittivité du diélectrique

Pour faire des condensateurs de grande capacité dans un volume le plus faible possible, on cherche donc à réduire autant que possible l'épaisseur d'isolant entre les deux armatures. Mais attention, chaque type d'isolant permet d'atteindre une tension de service limite selon sa nature et son épaisseur. Au delà de cette limite de tension, il peut apparaître un violent courant de claquage qui entraîne une destruction du composant.

Condensateur électrolytique

Revenons sur notre schéma sur les condensateurs :

On remarque dans ce schéma que le condensateur électrolytique contient un électrolyte qui fait office de cathode (électrode négative). La distance entre les électrodes (d) est beaucoup plus petite que pour le condensateur en céramique. Par ailleurs, la surface de l'anode est plus grande, car elle n'est plus plate mais rugueuse.

Le condensateur électrolytique est différent d'un condensateur classique dans le sens où on est venu créer sur l’anode un film isolant qui va jouer le rôle de diélectrique. Seuls des matériaux bien précis permettent, par des traitements d’oxydation, de former un film isolant à leur surface. C’est le cas de l’aluminium ou du Tantale par exemple. Un condensateur électrochimique en aluminium utilise donc une une feuille d’aluminium comme anode. Cette feuille est tout d’abord décapée électrochimiquement pour augmenter sa surface en développant de la rugosité (pour augmenter le terme S de la formule de la capacité). Ensuite, un traitement d’anodisation va permettre de former à la surface une couche isolante d'Alumine (Al2O3) qui jouera le rôle de diélectrique. Cette couche aura une épaisseur (d) qui est contrôlée par le processus d’anodisation, et varie de quelques centaines de nanomètre à un micron et plus. L’anode est donc formée : une feuille d’aluminium qui jouera le rôle de collecteur de courant anodique recouvert d’un film de Al2O3 qui est le diélectrique. Pour obtenir un condensateur, il faut rajouter la cathode. On utilise également une feuille d’aluminium mais pour être sûr de reporter le potentiel sur toute la surface de l’anode (et ainsi préserver S), on met entre la feuille d’aluminium cathodique et le diélectrique un électrolyte liquide qui formera une interface continue.

principe condensateur electrolytique

Principe de fabrication d'un condensateur électrolytique [1]

Pour former l’anode d’un condensateur électrolytique en aluminium, on utilise le procédé de l’anodisation. La feuille d’aluminium préalablement décapée pour augmenter sa surface est placée en tant qu’anode dans un électrolyseur ; la cathode est en général du plomb. Lors de la réaction, on oxyde l’aluminum (Al) en formant à la surface l’oxyde (Al2O3) de façon contrôlée. L’aluminium étant un métal passivable, la couche d’oxyde qui croît est isolante électrique et formera le diélectrique.

condensateur enroulement

Electrodes enroulées séparées par une feuille de papier avec des collecteurs de courant qui ressortent [1]

Pour faire des condensateurs électrolytiques de grande capacité, on peut faire une très longue bande d'Anode sur laquelle on ajoute une feuille de papier de même dimension, puis une bande de cathode. On enroule le tout et on injecte un électrolyte qui va imprégner la feuille de papier et entrer dans les rugosités des électrodes. La feuille de papier ne sert que de séparateur entre l'anode et la cathode, elle ne sert pas de diélectrique.

schema condensateur electrolytique proche

Gros plan sur l'anode rugueuse, le diélectrique, l'électrolyte (cathode) et la cathode métallique [1]

Avec le chargement, l'électrolyte devient elle-même une partie de la cathode. On voit ici que la rugosité de l'anode permet d'augmenter sa surface. L'électrolyte qui fait office de cathode épouse cette surface (avec un diélectrique entre les deux) et présente donc également une "surface" rugueuse. La surface ainsi créée peut en réalité être 200 fois plus grande que pour une électrode totalement plane.

schema condensateur electrolytique simple

Vue simplifiée de l'anode, le diélectrique et la cathode d'un condensateur électrolytique

vue condensateur electrolytique

Construction d'un condensateur électrolytique en aluminium [1]

Au final, l'utilisation d'un électrolyte dans un condensateur électrolytique est seulement un moyen utilisé pour concevoir un condensateur avec un diélectrique très fin et pour utiliser une plus grande surface des électrodes. On reste tout de même sur la même architecture qu'un condensateur classique avec une Anode, un Diélectrique, une Cathode et un chargement rapide par création d'un champ électrostatique.

Vidéo explicative sur les condensateurs :

Les accumulateurs (batteries)

schema batterie li ion

Schéma d'un accumulateur Lithium-ion

Dans un accumulateur, le stockage d'énergie se fait grâce à sa capacité à transférer et à stocker les particules chargées appelées ions. Un accumulateur Lithium-ion est constitué d'une Cathode en oxyde métallique (oxyde de cobalt Co02 ou de manganèse MnO2 ou MnO4) et d'une Anode en graphite (structure de Carbone) qui sont baignées dans un électrolyte liquide. Pour éviter les courts circuits, on place un séparateur micro-poreux (propriété qui permet aux ions lithium de passer à travers cette couche) dans l'électrolyte. Un collecteur en aluminium est placé sur la Cathode afin de canaliser le flux électronique généré ou absorbé par cette électrode qui est le pôle positif de la batterie, tandis qu'un collecteur en cuivre est placé au niveau de l'anode pour la même raison.

Pendant le cycle de charge, des réactions électrochimiques libèrent des ions de lithium chargés positivement (Li+) de la cathode, qui se déplacent alors vers l'anode en passant au travers du séparateur. Durant le cycle de décharge, ces mêmes ions se déplacent de l'anode vers la cathode en passant au travers du séparateur, tandis que les électrons bougent de l'anode vers la cathode en passant par le circuit extérieur de charge, ce qui crée le courant produisant la puissance de sortie utile. Les ions de lithium se déplacent et traversent le séparateur au sein de l'électrolyte liquide.

Voici un autre schéma représentant également un accumulateur Lithium-ion :

schema batterie li ion cobalt.1

Accumulateur Lithium-ion avec Cathode en oxyde de Cobalt [2]

Lors de la décharge de l'accumulateur, cela se traduit par les équations chimiques suivantes :

À la Cathode (+) :

LiCoO2 <--> Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

À l'Anode (-) :

xLi+ + xe- + xC6 <--> xLiC6

Lors de la charge, les équations sont à considérer dans l'autre sens. Le processus de charge est limité par la sursaturation de l'oxyde de cobalt et la production d'oxyde de lithium Li2O qui n'est plus susceptible de restituer l'ion Li+. Une surcharge de 5,2 V conduit à la synthèse d'oxyde de cobalt(IV) CoO2. Au sein de l'accumulateur lithium-ion, les ions Li+ font donc la navette entre les deux électrodes à chaque cycle de charge/décharge mais la réversibilité n'est possible que pour x < 0,5. [3]

Vidéo explicative sur l'accumulateur Lithium-ion :

Les supercondensateurs

Voici un schéma représentant un supercondensateur :

schema supercondensateur

Schéma d'un supercondensateur avec Cathode, Anode, Séparateur et ions de l'électrolyte [4]

Le schéma d'un supercondensateur rappel un peu celui de l'accumulateur Lithium-ion. En effet, le mode de fonctionnement d'un supercondensateur est assez proche de celui d'une batterie. Les deux appareils ont à leur base un électrolyte : mélange d'ions positifs et négatifs. Dans une batterie, les réactions chimiques déplacent les ions de l'électrolyte vers l'intérieur ou en dehors de la structure atomique de la matière composant l'électrode, entraînant un changement de degré d'oxydation du matériau, selon que la batterie est chargée ou déchargée. En revanche, dans un supercondensateur, un champ électrique entraîne les ions à se déplacer vers ou depuis la surface des électrodes.

Contrairement au condensateur électrolytique, l'électrolyte n'est pas utilisée pour créer une réaction chimique et pour créer un diélectrique. Un supercondensateur ne présente pas de couche diélectrique apparente, il utilise les propriétés de l'interface électrode-électrolyte en formant une double couche électrique (modèle décrit par Helmholtz, Stern, Grahame...). Ainsi, dans un supercondensateur, les ions de l'électrolyte participent directement au stockage d'électricité en se dirigeant vers l'une ou l'autre des électrodes et en étant adsorbés (fixés par attraction) sur leur surface.

Lorsqu'un supercondensateur est chargé, les ions négatifs contenus dans l'électrolyte migrent vers l'électrode positive et les ions positifs migrent vers l'électrode négative. Les ions sont alors "adsorbés" à la surface des électrodes pour compenser la charge de celles-ci.

Dans un accumulateur, les ions sont en quelque sorte "absorbés" dans les électrodes, alors que dans un supercondensateur, les ions sont "adsorbés" sur les électrodes. On imagine très bien qu'il est plus facile de stocker beaucoup d'ions à l'intérieur de la matière par réaction chimique qu'en se contentant de les accrocher à la surface des électrodes. Mais pour stocker tout de même beaucoup d'énergie, les supercondensateurs ont une astuce : ils utilisent des électrodes poreuses permettant aux ions d'entrer profondément dans les électrodes tout en se contentant de rester adsorbés à leur surface.

La solution pour un bon stockage d'énergie par supercondensateur est donc simple : offrir plus de surface d'électrode pour qu'une grande quantité d'ions puissent s'y accrocher. Pendant plus de deux siècles, les chimistes ont synthétisé des matériaux d'électrode à surface spécifique de plus en plus élevée. Aujourd'hui, dans les supercondensateurs commerciaux la surface des électrodes est le plus souvent composée de charbon actif (ou carbone activé), un matériau plein de pores fournissant une surface par unité de volume élevée. Les pores sont des petites zones dont la taille est de l'ordre du nanomètre (un nanomètre est un million de fois plus petit qu'un millimètre). L'électrode pleine de pores agit un peu comme une éponge électrique.

supercondensateur carbone active

Le charbon actif (ou carbone activé) utilisé dans les supercondensateurs est souvent fabriqué à partir d'écorces de noix de coco (Extrait d'une conférence de Patrice Simon [5])

La surface des électrodes, la taille des pores et l'électrolyte utilisé sont déterminants pour obtenir une grande capacité de stockage au sein des supercondensateurs. Pour améliorer les capacités des supercondensateurs, les chercheurs testent donc d'autres matériaux pouvant avoir des qualités encore plus intéressantes que le charbon actif : graphène, nanotubes de carbone, carbones dérivés de carbures... Des matériaux présentant une grande surface spécifique et qui peuvent être arrangés ou structurés afin de créer des pores de taille intéressante.

charbon actif

Charbon actif (50µm)

carbones dérivés de carbures 5

Carbones dérivés de carbures (5µm)

electrode supercondensateur graphene

Graphène 3D

Autre schéma d'un supercondensateur :

schema supercondensateur

Schéma d'un supercondensateur déchargé et chargé [6]

Un supercondensateur est constitué de quatre éléments principaux : les collecteurs de courant, la matière active, l'électrolyte et le séparateur. Ces éléments sont assemblés pour former une cellule électrochimique complète et les collecteurs de courant sont reliés à un circuit électrique externe.

Les collecteurs de courant font le lien entre la matière active et le circuit électrique extérieur. Leur fonction est de collecter efficacement les charges développées au niveau de la matière active.

L'électrolyte est une substance conductrice contenant des ions mobiles. Il peut s'agir d'un solvant contenant des ions dissous (électrolyte aqueux ou organique), ou d'un liquide ionique pur, sans solvant. Les liquides ioniques sont très onéreux, donc encore très peu utilisés.

Le séparateur est utilisé pour éviter les courts-circuits dans le système en isolant électroniquement les deux électrodes, mais ce séparateur doit tout de même laisser passer les ions de l'électrolyte.

La matière active est le matériau poreux de l'électrode sur laquelle les ions sont adsorbés. C'est l'interface électrode / électrolyte qui est à la base du stockage de l’énergie dans les condensateurs à double couche électrochimique que sont les supercondensateurs.

Dans le schéma du haut : lorsqu'aucune différence de potentiel n’est appliquée aux bornes du supercondensateur, les ions sont adsorbés (par attraction) sur les électrodes sans ségrégation particulière entre les anions et les cations.

Dans le schéma du bas : lorsqu’une différence de potentiel non nulle est appliquée, les ions s’adsorbent sélectivement sur l'électrode positive et sur l'électrode négative en compensant la charge portée par l'électrode.

On a l'habitude de dire que dans un supercondensateur, il y a un stockage électrostatique de l'énergie tandis que dans les batteries il y a un stockage électrochimique de l'énergie. Ceci est vrai, sauf pour les pseudo-supercondensateurs...

Les pseudo-supercondensateurs

Reprenons notre premier schéma :

schemas supercondensateur pseudo.1

Supercondensateur et Pseudo-supercondensateur

Le premier schéma montre un supercondensateur standard avec les ions qui sont adsorbés (fixés par attraction) à la surface poreuse des électrodes : il y a stockage électrostatique de l'énergie. Dans le deuxième schéma, des réactions rédox se forment comme dans les batteries. Mais à la différence des batteries, les réactions chimiques ne se font qu'en surface des électrodes. Résultat : un peu plus de densité de stockage d'énergie qu'avec les supercondensateurs standard, mais une vitesse de charge/décharge tout de même très rapide, car les ions n'ont pas à migrer vers ou depuis l'intérieur de la matière des électrodes...

Les supercondensateurs hybrides

Il existe aussi des supercondensateurs hybrides qui sont composés d'une électrode de supercondensateur ou de pseudo-supercondensateur et d'une électrode de batterie. On tente ainsi de réunir le meilleur des deux systèmes de stockage tout en essayant de gommer au maximum les points faibles de ces dispositifs...



Voici une vidéo non exempte de défauts mais tout de même intéressante pour se représenter le fonctionnement d'un supercondensateur :


Autre vidéo déjà présentée dans l'article Supercondensateur versus condensateur : vue de l'intérieur. Un condensateur électrolytique et un supercondensateur sont ouverts et déroulés pour voir à quoi ressemble l'intérieur de ces composants :



En détaillant le fonctionnement des condensateurs, des accumulateurs et des supercondensateurs, nous avons démontré que les supercondensateurs sont au moins aussi proches techniquement des batteries que des condensateurs et donc qu'il est préférable d'éviter de confondre condensateur et supercondensateur si l'on souhaite parler sérieusement de ces systèmes de stockage de l'électricité.

Pour conclure, on peut dire que le supercondensateur est une sorte de condensateur de très grande capacité (il existe des supercondensateurs de 9500 Farads) et/ou une sorte de batterie ultra-rapide à très longue durée de vie (plus d'1 million de cycles de recharge).

Pour en savoir plus, voir le Grand dossier sur les supercondensateurs...




Sources :

2 commentaires

Jean-françois 03 octobre 2016 à 10:03

Question : le supercondensateur ne trouverait-t-il pas une application dans la voiture à pile à combustible? Puisque celle-ci produit sa propre énergie électrique, ses exigences en capacité de stockage devraient être bien inférieures à celles d'une voiture électrique conventionnelle. Il ne s'agit en quelque sorte que de "lisser" la production électrique de pa pile.

Michel Ardan 23 juillet 2017 à 06:22

S'il peut s'avérer dommageable de confondre "condensateurs", "supercondensateurs", pourquoi ne pas forger un nouveau terme pour ces derniers ?...
En remontant aux "origines" ( pas si anciennes) pourquoi ne pas se souvenir de l'inventeur du stockage de "la Fée Electricité", qui paraissait impossible : Gaston Planté et sa machine rhéostatique ?.... Nous lui devons les " bons vieux accus" !... Ses accumulateurs ont fait quelques progrès et par un "retour aux sources" , proposons les nouveaux rhéostats ou les super rhéostats ?... ( Quelques puristes s'offusqueront peut-être, mais après tout , l'exemple de Branly est un précédent : lui non plus ne voulait du néologisme "Cohéreur" pour désigner sa découverte de radioconduction de l'énergie !... L'Histoire de la TSF en a décidé autrement !...)

Écrire un commentaire



Quelle est la dernière lettre du mot bkaxnc ? :