Les supercondensateurs existent depuis les années 1950, mais ce n’est que ces dernières années que leur potentiel est devenu évident. Intéressons-nous à ces composants informatiques qui stockent l’énergie au même titre que les batteries mais utilisent des principes complètement différents.
Qu’est-ce qu’un condensateur ?
Avant d’en venir aux supercondensateurs, il vaut la peine d’expliquer rapidement ce qu’est un condensateur ordinaire pour aider à démontrer ce qui rend les supercondensateurs spéciaux. Si vous avez déjà regardé une carte mère d’ordinateur ou pratiquement n’importe quel circuit imprimé, vous aurez vu ces composants électroniques.
Un condensateur stocke l’électricité sous forme de champ électrique statique. C’est la même chose qui se produit lorsque vous marchez sur un tapis en chaussettes et que vous accumulez une charge électrique, pour la décharger lorsque vous touchez une poignée de porte. Vous agissiez comme un condensateur !
À l’intérieur d’un condensateur typique, vous trouverez deux conducteurs séparés par un matériau isolant. La charge positive s’accumule sur un conducteur et la charge négative sur l’autre. Ainsi, il y a un champ électrostatique entre les deux plaques. Il existe de nombreuses façons de concevoir un condensateur, mais elles ont toutes les composants de base de deux plaques de charge et d’un isolant (diélectrique). L’isolant peut être de l’air, de la céramique, du verre, un film plastique. liquide, ou toute autre chose qui est mauvais pour conduire l’électricité.
Les condensateurs ont de nombreuses utilisations en électronique. Dans les ordinateurs et autres systèmes numériques, ils s’assurent que les informations ne sont pas perdues en cas de coupure de courant momentanée. Ils agissent également comme des filtres pour nettoyer les surtensions électriques qui pourraient autrement endommager les composants électroniques sensibles.
Comment les condensateurs et les batteries diffèrent
Les condensateurs et les batteries sont similaires en ce sens qu’ils peuvent tous deux stocker de l’énergie électrique, puis la libérer en cas de besoin. La grande différence est que les condensateurs stockent l’énergie sous forme de champ électrostatique, tandis que les batteries utilisent une réaction chimique pour stocker et libérer ultérieurement l’énergie.
À l’intérieur d’une batterie se trouvent deux bornes (l’anode et la cathode) avec un électrolyte entre elles. Un électrolyte est une substance (généralement un liquide) qui contient des ions. Les ions sont des atomes ou des molécules avec une charge électrique.
Il y a aussi un séparateur dans l’électrolyte qui ne laisse passer que les ions. Lorsque vous chargez la batterie, les ions se déplacent d’un côté à l’autre du séparateur. Lorsque vous déchargez la batterie, c’est l’inverse qui se produit. Le mouvement des ions stocke chimiquement l’électricité ou transforme cette énergie chimique stockée en un courant électrique.
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Condensateur vs Supercondensateur
Les supercondensateurs sont également appelés ultracondensateurs ou couche double condensateurs. La principale différence entre les supercondensateurs et les condensateurs ordinaires est la capacité. Cela signifie simplement que les supercondensateurs peuvent stocker un champ électrique beaucoup plus important que les condensateurs ordinaires.
Dans ce diagramme, vous pouvez voir une autre différence majeure en ce qui concerne les supercondensateurs. Comme une batterie (et contrairement à un condensateur traditionnel), un supercondensateur possède un électrolyte. Cela signifie qu’il utilise à la fois les principes de stockage électrostatique et électrochimique pour maintenir une charge électrique.
C’est une simplification grossière, et les aspects vraiment techniques de cela prendraient beaucoup plus de temps à expliquer. La chose la plus importante à savoir sur les supercondensateurs est qu’ils offrent les mêmes caractéristiques générales que les condensateurs, mais peuvent fournir plusieurs fois le stockage d’énergie et la fourniture d’énergie de la conception classique.
Les avantages et les inconvénients des supercondensateurs
Les supercondensateurs offrent de nombreux avantages par rapport, par exemple, aux batteries lithium-ion. Les supercondensateurs peuvent se recharger beaucoup plus rapidement que les batteries. Le processus électrochimique crée de la chaleur et la charge doit donc se produire à un rythme sûr pour éviter une panne catastrophique de la batterie. Les supercondensateurs peuvent également fournir leur puissance stockée beaucoup plus rapidement qu’une batterie électrochimique, pour la même raison. Si la batterie se décharge trop rapidement, cela peut également entraîner une panne catastrophique.
Les supercondensateurs sont également beaucoup plus durables que les batteries, en particulier les batteries lithium-ion. Alors que les batteries que vous trouvez dans les téléphones, les ordinateurs portables et les voitures électriques commencent à s’user après quelques centaines de cycles de charge, les supercondensateurs peuvent être chargés et vidés plus d’un million de fois sans dégradation. Il en va de même pour la livraison de tension. Une batterie 12V ne fournira peut-être que 11,4V dans quelques années, mais un supercondensateur fournira la même tension après plus d’une décennie d’utilisation.
Le plus gros inconvénient par rapport aux batteries lithium-ion est que les supercondensateurs ne peuvent pas décharger leur énergie stockée aussi lentement qu’une batterie lithium-ion, ce qui les rend inadaptés aux applications où un appareil doit passer de longues périodes sans se recharger.
Ainsi, dans l’état actuel des choses au moment de la rédaction de cet article, les supercondensateurs ne remplacent pas les batteries lithium-ion ou d’autres technologies de batterie, mais il existe un nombre croissant d’emplois pour lesquels les supercondensateurs sont parfaits.
Produits de supercondensateur
Vous avez probablement utilisé des produits contenant des supercondensateurs sans même le savoir. Les premiers supercondensateurs ont été créés dans les années 1950 par un ingénieur de General Electric nommé Howard Becker. En 1978, NEC a inventé le nom de « supercondensateur » et a utilisé l’appareil comme une forme d’alimentation de secours pour la mémoire de l’ordinateur.
Aujourd’hui, vous les trouverez dans les ordinateurs portables, les appareils GPS, les ordinateurs de poche, les flashs d’appareils photo et de nombreux autres appareils électroniques. Le Coleman FlashCell utilisait un supercondensateur au lieu d’une batterie. Cela signifiait qu’il fonctionnait deux fois moins longtemps qu’un modèle traditionnel alimenté par batterie, mais qu’il se rechargeait en 90 secondes au lieu d’heures.
De même, le S-Pen du Samsung Galaxy Note 9 utilisait un supercondensateur pour alimenter les fonctions sans fil du stylet. La puissance s’épuiserait en quelques minutes d’utilisation intensive ou après 30 secondes de temps de repos, mais il ne faut que 40 secondes pour la remplir à nouveau.
Les supercondensateurs trouvent également leur place dans le monde des véhicules hybrides et électriques. Ils sont parfaits pour capter et libérer la puissance du freinage régénératif, qui est une charge dynamique à court terme. Les véhicules tels que les bus ou les tramways des transports en commun conviennent également aux supercondensateurs. Ils n’ont besoin que d’assez de puissance pour se rendre au prochain arrêt, où ils se rechargeront en quelques secondes ou minutes. Étant donné que les supercondensateurs ne s’usent pas vraiment, ce cycle de transport public fixe a beaucoup de sens pour la technologie.
Les supercondensateurs sont-ils l’avenir du stockage d’énergie ?
Avec l’état d’avancement des recherches sur les supercondensateurs, il semble probable qu’un jour nous aurons des batteries à supercondensateurs. Il s’agirait d’appareils qui ont la durabilité et la vitesse des supercondensateurs, mais avec la densité d’énergie et la longue durée de fonctionnement des batteries. En 2016, des scientifiques de l’Université de Floride centrale ont créé un prototype de supercondensateur flexible avec une densité d’énergie plus élevée que les supercondensateurs actuels et un cycle de charge de 30 000 sans dégradation.
De nouveaux matériaux à l’échelle nanométrique et des expériences avec du graphène indiquent tous la possibilité que des supercondensateurs avec des densités d’énergie beaucoup plus élevées soient possibles. Même s’ils ne correspondent jamais aux batteries lithium-ion, une quantité de charge utilisable, associée à un temps de recharge rapide, pourrait les placer là où les batteries remplissent actuellement un rôle.
Là encore, il existe d’autres technologies en concurrence avec les supercondensateurs. La plus importante d’entre elles est la légendaire batterie à semi-conducteurs et les batteries lithium-ion traditionnelles récemment infusées de graphène se sont également révélées prometteuses. Quelle que soit la technologie à charge rapide, durable et à haute densité énergétique qui remportera la course, nous serons tous gagnants.
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