Le supercondensateur FastCAP stocke 2 à 3 fois plus d'énergie (15,6 Wh/kg) et résiste à 150°C : 5 records du monde

Supercondensateur FastCAP

Supercondensateur FastCAP ultra performant et ultra résistant

La société FastCAP Systems a été fondée en 2008 par John Cooley et Riccardo Signorelli, anciens étudiants diplômés en génie électrique et informatique, puis associés post-doctorat dans le laboratoire pour les systèmes électromagnétiques et électroniques du M.I.T. (Massachusetts Institute of Technology).

Les associés ont créé cette société dans le but de commercialiser la technologie de supercondensateur à haute densité d'énergie qu'ils ont mis au point au MIT en 4 ans de recherches collaboratives. Un supercondensateur à base d'électrodes de nanotubes de carbone enduites ayant le potentiel pour stocker beaucoup plus d'énergie que les supercondensateurs à charbon actif du commerce.

Un début de commercialisation de ce supercondensateur ultra performant et ultra résistant a commencé en mars 2013 auprès de l'industrie d'exploration gazière et pétrolière. Cette industrie est très intéressée par ce moyen de stockage qui ne risque pas d'exploser dans un environnement de haute température contrairement aux batteries Lithium-Ion.

À l'automne 2009, FastCAP a remporté un prix de 5,3 millions de dollars pour son projet de supercondensateur auprès de l'US Department of Energy (DOE). Depuis, la société a obtenu 5 records du monde pour des supercondensateurs finalisés :

  • La plus haute densité d'énergie pour une cellule : 18.69 Wh/L  -  15.66 Wh/kg (2 à 3 fois plus que les supercondensateurs du commerce)
  • La plus haute densité de puissance pour une cellule : 120.44 kW/L (117.32 kW/kg)
  • La plus haute température de fonctionnement pour un supercondensateur : 150°C (2 fois plus que les supercondensateurs du commerce)
  • Fréquence la plus élevée pour un supercondensateur : 6,3V avec une fréquence de coupure de 500 Hz
  • La plus haute densité d'énergie et de puissance pour une même cellule : 14,93 Wh/L et 41,04 kW/L (13,50 Wh/kg et 37,12 kW/kg)

La dernière génération de supercondensateurs FastCAP stocke ainsi deux à trois fois plus d'énergie que ses concurrents et peut fournir 7 à 15 fois plus de puissance. Elle coûte aussi moins cher, car elle utilise des matières premières qui sont à la fois peu coûteuses et abondantes aux États-Unis. Le matériau de l'électrode, coûte environ un cinquantième de celui utilisé dans les condensateurs conventionnels.

Le processus de fabrication est basé sur les méthodes utilisées pour la production à grande échelle de composants solaires photovoltaïques. En conséquence, il est à la fois peu coûteux et évolutif, et en prime, l'équipement et l'expertise nécessaire sont très développés et facilement disponibles.

Avant de parler des systèmes d'alimentation à base de supercondensateurs FastCAP qui commencent à être commercialisés en 2013 auprès d'une clientèle exigente, expliquons la technologie utilisée :

La technologie du supercondensateur FastCAP Systems

Une question de stockage d'ions

La clé du stockage d'énergie, que ce soit dans une batterie ou un supercondensateur, est la capacité de transférer et de stocker les particules chargées appelées ions, explique Joel Schindall, professeur au département de génie électrique et informatique du MIT. Les deux appareils ont à leur base un électrolyte, un mélange d'ions positifs et négatifs. Dans une pile, 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 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. Vu que les ions ne font que s'accrocher puis se détacher des électrodes sans aucune réaction chimique, un supercondensateur peut être chargé et déchargé très rapidement, encore et encore. Mais tandis que les batteries emmagasinent les ions au sein même de ses électrodes avec une grande capacité de stockage, les supercondensateurs eux ne stockent les ions qu'à la surface des électrodes.

En théorie donc, la solution pour un bon stockage d'énergie par supercondensateur est simple : offrir plus de surface d'électrode pour qu'une grande quantité d'ions puissent s'y accrocher. Dans les supercondensateurs commerciaux d'aujourd'hui, les surfaces des électrodes sont recouvertes avec du charbon actif, un matériau qui est plein de pores fournissant une surface pour que les ions s'y accrochent. Mais le stockage d'énergie y est encore faible.

nanotubes de carbone ionsEn 2004, Schindall a proposé une solution différente : recouvrir les électrodes avec des nanotubes de carbone alignés verticalement. Un réseau très serré de grands et minces nanotubes sur l'électrode pourrait fournir beaucoup de surface pour y accrocher les ions. En outre, alors que les pores du charbon actif sont irréguliers en taille et en forme, une "forêt" de nanotube offrirait des voies droites de sorte que les ions peuvent y entrer et sortir facilement. C'est comme aspirer de la peinture avec un pinceau plutôt qu'avec la surface d'une éponge, dit Schindall. Il a commencé à explorer le concept avec des collaborateurs, John G. Kassakian, professeur de génie électrique et Riccardo Signorelli, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique, puis associé post-doctoral dans le laboratoire pour les systèmes électromagnétiques et électroniques (qui fait maintenant partie du laboratoire de recherche en électronique du MIT).

Le concept et les premiers pas

schema supercondensateur FastCAPSchéma d'un supercondensateur avec nanotubes de carbone. On peut voir en haut et en bas du schéma les plaques d'électrodes avec des nanotubes de carbone orientées verticalement. (Les nanotubes sont en fait beaucoup plus long et plus denses que ceux dessinés dans ce schéma.) Un électrolyte liquide remplit l'espace entre les deux électrodes, et un séparateur poreux au milieu empêche les plaques de court-circuiter électriquement entre elles. Dans ce schéma, une tension à travers les deux plaques a induit un excès de charge négative (électrons) sur la plaque supérieure et un excès de charge positive (l'absence d'électrons) sur la plaque inférieure. Il en résulte que les nanotubes sont revêtus par des ions de charge opposée. Lorsque les deux plaques sont reliées en boucle extérieure par un fil électrique, les électrons s'écoulent à travers ce circuit extérieur à partir de l'électrode négative jusqu'à l'électrode positive en assurant l'alimentation d'un dispositif consommateur d'électricité en cours de route. Au fil du temps, les deux plaques vont perdre leur charge, et les ions positifs et négatifs vont se mélanger de nouveau dans l'électrolyte.

L'équipe du MIT a alors effectué des études de simulation détaillées qui ont confirmé les avantages potentiels du concept proposé. Les simulations ont montré que le supercondensateur à nanotubes de carbones devrait être en mesure de stocker plus d'ions que ceux à charbon actif conventionnels, réalisant ainsi un stockage d'énergie plus efficace.

Encouragés par ces résultats, Schindall et Signorelli se sont lancés sur le défi suivant : réaliser des électrodes de nanotubes de carbone. En un an, ils avaient appris à faire croître des nanotubes de carbone sur du silicium. Mais le silicium n'est pas un bon conducteur. La croissance de nanotubes sur une surface conductrice s'est avéré plus difficile à faire. Après avoir testé de nombreux matériaux, différentes conceptions et méthodes, ils ont trouvé une combinaison qui fonctionne. Ils ont utilisé une couche de tungstène, puis une mince couche d'aluminium (comme conducteur) et enfin une couche supérieure d'oxyde de fer, le catalyseur pour le procédé. En utilisant un four spécialement conçu, ils ont chauffé leur échantillon jusqu'à ce que l'oxyde de fer se soit séparé en gouttelettes. Ils ont ensuite soufflé du gaz d'acétylène dilué sur la surface. Les gouttelettes d'oxyde de fer ont attrapé le carbone du gaz, et les nanotubes de carbone ont commencé à pousser littéralement sur les gouttelettes. "Chaque goutte a servi de follicule, presque comme un follicule pileux, pour la croissance des nanotubes", explique Schindall. Les expériences ont montré qu'une très fine couche d'oxyde de fer peut être utilisée pour former de petites gouttelettes à partir desquelles il est possible de faire croître des nanotubes grands, minces et serrés. Une configuration qui maximise la surface disponible sur l'électrode.

Le test ultime: réalisation d'un dispositif

Forêt de nanotubes de carbone

Forêt de nanotubes de carbone

L'image ci-contre présente une "forêt" de nanotubes de carbone cultivés sur une électrode d'aluminium. Chaque nanotube mesure environ 250 microns de longueur, soit environ deux fois plus long qu'un cheveu est épais.

L'étape suivante a consisté à intégrer les électrodes de nanotubes dans un dispositif et de tester leur fonctionnement. "Nous avons fait grandir des nanotubes aux bonnes dimensions sur un substrat conducteur, mais nous ne savions pas comment ils pourraient fonctionner électriquement", explique Schindall. Un certain nombre d'écueils pouvaient apparaître au moment où ils allaient tester le dispositif. Par exemple, l'électrolyte allait-elle descendre entre les nanotubes et recouvrir leur surface ? Les nanotubes de carbone sont connus pour être très hydrofuges. En outre, dans cette application, les nanotubes sont très rapprochés et donc cela fait un ensemble de nanotubes hydrofuges très serrés entre eux...

Les chercheurs ont réussi à fabriquer un prototype de cellule qui a apaisé ces inquiétudes. Les ions ont pu accéder et recouvrir toute la surface des nanotubes et les nanotubes ont ainsi été reliés électriquement. D'autres études ont montré que la base de chaque nanotube s'est prolongée au-delà des gouttelettes d'oxyde de fer d'où ils ont grandi. En fin de compte, le "pied" de chaque nanotube entoure et englobe la goutte, par conséquent, il est directement relié au substrat d'aluminium du dessous. Le prototype a ainsi prouvé la viabilité pratique du supercondensateur à nanotubes de carbone.

Par la suite, la société FastCAP Systems a réussi à lever des fonds pour améliorer le dispositif et créer des supercondensateurs capables de stocker 2 fois plus d'énergie que ses concurrents et capables de fournir des densités de puissance 7 à 15 fois plus importantes...

Un supercondensateur ultra résistant

En plus d'être ultra performant, le supercondensateur FastCAP est ultra résistant : le supercondensateur FastCAP peut être gelé, brûlé, frappé, choqué, compressé, troué ou scié... il fonctionne toujours !

Comme nous l'avons vu dans notre article "Les recherches sur les supercondensateurs avancent très vite", malgré le fait que le supercondensateur FastCAP bat déjà tous les records des autres supercondensateurs du commerce, les possibilités d'améliorations son encore énormes. En théorie, la technologie à base de nanotubes de carbone utilisée par FastCAP Systems peut permettre d'atteindre la densité d'énergie des batteries Lithium-ion, c'est à dire 150 Wh/kg. Le supercondensateur FastCAP pourrait notamment augmenter sa densité d'énergie en densifiant la forêt de nanotubes de carbone et en les faisant croître de façon plus monolithique de façon à y accrocher encore plus d'ions. L'utilisation d'un liquide ionique peut aussi augmenter fortement cette densité d'énergie.

Début de la commercialisation des supercondensateurs FastCAP Systems

Supercondensateur FastCAP EEEn mars 2013, FastCAP Systems a lancé la commercialisation de ses premiers systèmes d'alimentation à base de supercondensateurs FastCAP et servants à la recherche d'énergie (pétrole, gaz et géothermie) : les Ulysses Power Systems. Ces systèmes d'alimentation embarquent des supercondensateurs haute performance et ultra résistants qui sont taillés pour des conditions extrêmes où la température peut atteindre 150°C. Les supercondensateurs ne contiennent pas de lithium et ne peuvent pas exploser, ce qui est un gros avantage par rapports aux batteries qui peuvent s'avérer dangereuses à utiliser pour cette activité sensible.

Avec les supercondensateurs FastCAP Systems, c'est le début d'une nouvelle ère du stockage d'énergie plus sûr et plus prévisible dans l'industrie du pétrole et du gaz. "Nous avons entendu nos clients raconter des histoires d'explosions souterraines et de blessures liés à des explosions dues à un emballement thermique, et nous comprenons que l'incertitude est vécue comme un véritable point de douleur dans l'industrie", explique le Dr Signorelli, PDG de FastCAP. "Nos supercondensateurs sont une approche de bon sens pour aider à faire progresser l'industrie au-delà de ces questions", a-t-il noté.

La gamme Ulysses comporte quatre systèmes d'alimentation ayant des capacités différentes. Le système d'alimentation FastCAP UlyssEG (Extreme Generation), permet aux opérateurs d'alimenter leurs outils lors des opérations de pompage sans avoir besoin de batteries, avec une capacité sans précédent. Le système d'alimentation UlyssET amplifie le signal de sortie EM de télémétrie de plus de 10 fois, ce qui permet la transmission de données dans des zones et des profondeurs où cela était jusqu'à présent impossible. Le système d'alimentation UlyssEF, lorsqu'il est utilisé en conjonction avec des batteries primaires pour les outils électriques, permet aux opérateurs de réduire la dépendance aux cellules à base de lithium, tout en ajoutant des avantages tels que la possibilité d'augmenter la puissance d'exécution. Enfin, le système d'alimentation UlyssEP sert à booster la puissance, éliminant le besoin de piles instables à haut débit pour l'exploitation de pulseurs de boue haute tension et d'autres outils de fond gourmands en énergie.

FastCAP travaille déjà au développement de sa deuxième génération de cellules FastCAP EE, conçues pour fonctionner de manière sûre et fiable à des températures allant jusqu'à 250°C. Ces cellules, qui sont développées grâce à une subvention ministérielle pour le programme des technologies géothermiques de l'énergie, seront intégrées dans les systèmes d'alimentation de FastCaps pour permettre un forage plus intelligent et plus efficace de l'énergie géothermique, où les températures rencontrées au cours des opérations de forage sont sensiblement plus élevées que dans les forages pétroliers traditionnels et les puits de gaz.

La commercialisation des supercondensateurs FastCAP débute tout juste en 2013 et la production doit encore s'industrialiser pour prendre des parts de marché conséquentes. Grâce au processus de fabrication élaboré par la société, la phase d'industrialisation devrait être rapide à mettre en place. Ces supercondensateurs de haute performance pourront alors s'imposer d'autant plus facilement que le bas coût des matériaux utilisés et le faible coût du processus de fabrication permettront aux supercondensateurs FastCAP d'être accessibles à un prix très intéressant.

Sources : mitei.mit.edu et www.fastcapsystems.com

1 commentaire

Bolossmania 09 août 2015 à 11:34

il serait bien de mettre au point des supercondensateurs qui ont une tension de service nominale très haute,ce qui permettrait une grande densité d'énergie.La tension joue plus que la capacité dans la formule de calcul de l'énergie stockée en raison du facteur "U^2" dans la formule E = 1/2 CU^2
avec E en joules , C en Farads et U en volts(non,en ampères ;) )
Salut à tous
Vive les supercondos !
Bolossmania

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