Les recherches sur les supercondensateurs avancent très vite

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La nanotechnologie au service des supercondensateurs

Les supercondensateurs ont gagné en notoriété grâce à l'incroyable buzz généré sur le Web par le projet de "supercapacitor" présenté par Eesha Khare lors du "Intel International Science and Engineering Fair 2013" où elle a remporté le deuxième prix. La lycéenne y a également remporté le prix Intel de la "jeune scientifique", un prix amplement mérité car ses travaux permettent de faire avancer les recherches sur ce moyen de stockage d'énergie prometteur qu'est le supercondensateur. D'autres scientifiques ont cependant déjà obtenu des résultats encore plus prometteurs pour les supercondensateurs... (6 mai 2013 : des chercheurs ont présentés leur supercondensateur à 98 Wh/kg contre 20,1 Wh/kg pour celui d'Eesha Khare)

A 18 ans, la jeune femme a su transmettre son enthousiasme en expliquant l'origine de ses travaux. Eesha Khare a expliqué que la batterie de son téléphone se déchargeait trop rapidement et qu'en cherchant un moyen de le recharger très rapidement, elle a pensé à améliorer les condensateurs dont la recharge est ultra rapide. Son objectif est de créer un supercondensateur capable de remplacer sa batterie pour recharger son smartphone en seulement 20 à 30 secondes. La jeune femme a réussi à améliorer un certain type de supercondensateur, mais il faudra encore de nombreuses améliorations pour atteindre l'objectif qu'elle s'est fixé, car son supercondensateur n'est pas encore capable de stocker autant d'énergie qu'une batterie de smartphone.

La présentation du projet d'Eesha Khare a emballé les journalistes, mais il faut préciser que les supercondensateurs existent depuis longtemps et possèdent déjà les capacités intéressantes soulignées par la lycéenne : une recharge ultra-rapide et une grande longévité grâce à la capacité à être rechargés entre 10 000 et 20 millions de fois.

Eesha Khare a le mérite d'avoir trouvé un moyen d'améliorer ce qu'il manque encore au supercondensateur pour détrôner les piles et les batteries : une plus grande capacité de stockage d'énergie. C'est une belle performance pour un si jeune âge, mais cette prouesse ne doit pas occulter le fait que de nombreux chercheurs à travers le monde trouvent également des pistes d'amélioration pour les supercondensateurs.

Rien qu'en 2013, il est possible de trouver une dizaine de résultats de recherches présentant des supercondensateurs parfois bien plus prometteurs que celui réalisé par Eesha Khare. Comprenons bien qu'il s'agit de supercondensateurs créés en laboratoire. Tous ne sont pas voués à être commercialisés pour des problèmes de mise en production industrielle ou de coût de réalisation. Du reste, il faut au moins 5 à 10 ans pour commercialiser des supercondensateurs issus de telles recherches.

Rappelons les caractéristiques du supercondensateur créé par Eesha Khare :

  • Densité d'énergie : 20,1 Wh/kg
  • Densité de puissance : 20540 W/kg
  • Capacité : 238,5 F/g
  • Longévité : 32,5% de capacité perdue après 10 000 cycles de recharge

Quelques résultats de recherche publiés en 2013

Matériaux à base de graphène 3D poreux avec une surface exceptionnelle et une excellente conductivité pour les supercondensateurs

Publié sur nature.com le 11 mars 2013

Extrait :
Jusqu'à présent, peu de matériaux en carbone présentent simultanément des performances importantes pour une surface spécifique (SSA) et une bonne conductivité électrique. Ici, nous présentons une approche simple et écologique, mais très efficace en utilisant deux étapes standard et simples de l'industrie pour obtenir des matériaux poreux à base de graphène en trois dimensions, avec une ultra SSA de 3523 m² par gramme et une excellente conductivité. Ces matériaux sont constitués de couches de simples feuillets de graphène épais de seulement quelques nanomètres, avec au moins une liaison covalente entre eux. Les propriétés remarquables de ces matériaux sont démontrées par la réalisation d'un supercondensateur aux performances remarquables avec l'utilisation d'un liquide ionique.

  • Densité d'énergie : 98 Wh/kg
  • Capacité : 231 F/g
graphène 3D poreux

Supercondensateur haute performance grâce à des électrodes en nanoflocons présentant une diffusion ionique rapide

Publié sur nature.com le 24 avril 2013

Extrait :
Des nanoflocons de composés Na x MnO 2 ont été préparés directement par procédé électrochimique humide avec des Na + ions positionnés dans des intercalaires en dioxyde de manganèse. Des supercondensateurs basés sur des nanoflocons de Na x MnO 2 présentent une diffusion ionique plus rapide avec une amélioration des pics redox, des densités d'énergie dix fois plus élevées, jusqu'à 110 Wh/kg (demi-cellule, à base de matériau actif, ou 55 Wh/kg pour la cellule complète) et des capacités supérieures de plus de 1000 F/g, par rapport aux traditionnels supercondensateurs à base de dioxyde de manganèse. En raison de la structure d'électrode autoportante et de la structure cristalline, les électrodes en nanoflocons Na x MnO 2 maintiennent aussi une remarquable stabilité électrochimique avec une rétention de capacité de 99,9% après 1000 cycles. Cette étude indique que la pré-intercalation adapté est efficace pour améliorer la diffusion des cations d'électrolyte et autres performances électrochimiques pour les oxydes en couches, et suggère que les nanoflocons obtenus sont des matériaux prometteurs pour réaliser l'hybridation et obtenir une densité d'énergie et une densité de puissance élevée pour les supercondensateurs.

  • Densité d'énergie : 55 Wh/kg
  • Longévité : 4,8% de capacité perdue après 5000 cycles de recharge
Supercondensateur à nanoflocons
 

Mousse hybride de nanotubes de carbone entrelacés avec du dioxyde de manganèse pour des supercondensateurs à haute énergie

Publié sur onlinelibrary.wiley.com le 6 mai 2013

Extrait :
Les supercondensateurs à chargement et déchargement rapide sont des systèmes de stockage d'énergie alternative prometteurs pour des applications telles que les appareils électroniques portatifs et les véhicules électriques. L'intégration d'oxydes métalliques pseudocapacitif avec des matériaux mono-structurés a reçu beaucoup d'attention récemment en raison de leur rendement électrochimique supérieur. Afin de réaliser des supercondensateurs de haute densité énergétique, une méthode simple est conçue pour fabriquer une mousse hybride nanostructurée (GMM) de nanofils en graphène / MWNT / dioxyde de manganèse (MnO2), via un processus en deux étapes.

L'architecture de graphène / MWNT 3D en quelques couches (GM) est cultivé sur des feuilles métalliques en mousse (mousse de nickel) par dépôt chimique en phase vapeur à pression ambiante. Les nanofils α-MnO2 obtenus par synthèse hydrothermale sont ensuite déposés sur ​​la mousse GM par un dépôt de bain simple. La mousse de GMM hiérarchique telle que préparée donne une mousse de graphène monographique conforme, recouverte d'un dense réseau de nanofils de nanotubes de carbone / dioxyde de manganèse entrelacés. Les condensateurs électrochimiques (EC) basés sur des électrodes de mousse GMM affichent une fenêtre de tension d'utilisation étendue de 1,6 V avec un électrolyte aqueux.

Une densité d'énergie exceptionnelle de 391,7 Wh/kg est obtenue pour le supercondensateur basé sur la mousse GMM, ce qui est beaucoup plus élevé que pour un supercondensateur électrochimique à base de mousse GM seulement (39,72 Wh/kg). Une capacité spécifique élevée (1108,79 F/g) et une densité de puissance exceptionnelle de 799,84 kW/kg sont également atteints. En outre, la grande rétention de capacité (97,94%) après 13 000 cycles de charge-décharge démontre la grande stabilité des électrodes du supercondensateur. Ces excellentes performances permettent à la mousse de GMM hiérarchique 3D innovante de servir d'électrode CE dans des dispositifs de stockage d'énergie avec une grande stabilité et une forte densité de puissance avec un électrolyte aqueux neutre.

[Mise à jour du 18/03/2014 : Les calculs de densité d'énergie sont ici réalisés à partir de la matière active contenu dans une électrode. Ce mode de calcul est utile pour pouvoir comparer les performances intrinsèques, mais ne représente pas la densité d'énergie du supercondensateur entier, qui est alors 3 à 4 fois moins élevée (merci à laurent et beruberu).]

Résultats obtenus pour la matière active d'une électrode :

  • Densité d'énergie : 391,7 Wh/kg
  • Densité de puissance : 799 840 W/kg
  • Capacité : 1108,79 F/g
  • Longévité : 3% de capacité perdue après 13 000 cycles de recharge

Résultats obtenus pour le supercondensateur :

  • Densité d'énergie : 98 Wh/kg
  • Densité de puissance : 200 kW/kg

Le supercondensateur, une technologie d'avenir déjà très utile

Nous avions déjà parlé des capacités extraordinaires que pouvaient apporter le graphène et les nanotubes de carbone pour les supercondensateurs dans notre article "Supercondensateur haute densité grâce au graphène et aux nanotubes de carbone".

Il s'agit d'une des meilleures pistes pour voir un jour une production industrielle de supercondensateurs possédant une densité d'énergie équivalente aux batteries. Rappelons que les batteries au Plomb offrent une densité énergétique de 20 à 40 Wh par kg, tandis que les batteries Lithium-Ion font entre 150 et 200 Wh par kg.

Pour remplacer totalement les batteries, certains supercondensateurs ont un dernier point à améliorer : un taux d'auto-décharge trop important. Des progrès considérables ont déjà été fait et les chercheurs travaillent activement sur d'autres pistes d'amélioration. L'autodécharge 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 parasites et donc l'autodécharge. Ainsi, selon le mode de fabrication et la technologie utilisée, le taux d'autodécharge du supercondensateur peut varier énormément. Certains supercondensateurs se déchargent tout seuls de seulement 1 à 2% par mois (ce qui est mieux que bon nombre de batteries), d'autres peuvent se décharger de 50% en seulement 12 heures (la vitesse de l'autodécharge diminue cependant très rapidement par la suite)...

La baisse de la tension au fur et à mesure que le supercondensateur se décharge est un autre problème fréquemment souligné, mais ce problème se règle aisément en associant plusieurs supercondensateurs avec un circuit d'équilibrage.

Nous attendons donc avec impatience la commercialisation de nouveaux supercondensateurs issus des recherches effectuées il y a quelques années, tout en sachant que les supercondensateurs seront encore plus puissants dans 5 à 10 ans au vu des résultats de recherche actuels.

Sans chercher à remplacer immédiatement toutes les piles et les batteries, les performances des supercondensateurs actuels sont déjà suffisantes pour que le supercondensateur s'impose dans bon nombre d'applications. Ainsi, de plus en plus de voitures de série les utilisent pour récupérer efficacement l'énergie du freinage pour le "Stop & Start". Toyota utilise leur puissance pour booster ses voitures de courses d'endurance. Shanghai va bientôt s'équiper de 200 bus à supercondensateur + batterie capables de se recharger en 30 secondes au niveau des arrêts de bus. En France, les premiers bus hybrides gasoil/supercondensateur viennent d'être commandés afin d'économiser 30% de carburant, etc.

Un supercondensateur capable de remplacer la batterie des smartphones ? Par encore pour aujourd'hui, mais pour demain peut-être !

1 commentaire

TRIVI 02 janvier 2014 à 14:20

Bravo pour votre site ; a mon humble avis l"avenir de la voiture electrique y sera.

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