Des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder ont publié une étude qui modifie la loi qui régit le mouvement des ions dans les supercondensateurs. L’utilisation de supercondensateurs pour stocker et libérer de l’énergie dans de nombreux autres contextes commerciaux et grand public pourrait conduire à une recharge ultra-rapide. Un ordinateur portable pourrait, hypothétiquement, être chargé à 100 % en quelques minutes seulement.
Batteries, condensateurs, supercondensateurs et leur relation avec les ions
Avant de comprendre sur quoi repose la recherche, il convient de faire une synthèse des principaux accumulateurs d’énergie, donc des batteries, des condensateurs et des supercondensateurs.
Les piles, par exemple ceux au lithium-ion, sont des dispositifs électrochimiques qui stockent l’énergie chimique et la convertissent en énergie électrique par une réaction d’oxydo-réduction. Ils sont composés d’une électrode positive (cathode), d’une électrode négative (anode) et d’un électrolyte. Pendant la décharge, les électrons circulent de l’anode à la cathode via un circuit externe, générant un courant électrique.
Dans les batteries, le flux d’électrons est étroitement lié au mouvement des ions au sein de l’électrolyte. Lors de la décharge, les ions positifs migrent vers la cathode (électrode positive) et les ions négatifs vers l’anode (électrode négative). Ce mouvement des ions permet la circulation des électrons dans le circuit externe, générant un courant électrique. Le processus est réversible pendant la charge.
Batteries marines remplies d’air pour stocker l’énergie provenant de sources renouvelables. Comment changer votre système de stockage
Aller vers plus d’informations
Les condensateurs ce sont des dispositifs qui stockent l’énergie électrique sous la forme d’un champ électrique. Ils sont composés de deux plaques conductrices séparées par un matériau isolant (diélectrique). Lorsqu’une différence de potentiel est appliquée, des charges opposées s’accumulent sur les plaques, créant un champ électrique dans le diélectrique qui stocke l’énergie.
Dans les condensateurs traditionnels, aucun ion n’est directement impliqué. L’énergie est stockée dans le champ électrique créé par l’accumulation de charges électriques opposées sur les plaques conductrices. Les électrons quittent les plaques pendant la décharge, mais il n’y a pas de mouvement direct des ions.
Supercondensateurs ils sont un hybride entre batteries et condensateurs. Ils ont une structure similaire à celle des condensateurs, mais utilisent des matériaux spéciaux (par exemple du charbon actif) à grande surface comme électrodes immergées dans un liquide. La porosité de ces matériaux augmente considérablement la surface disponible pour le stockage de charge, permettant aux supercondensateurs de stocker beaucoup plus d’énergie que les condensateurs normaux, et de la libérer et de la recharger beaucoup plus rapidement que les batteries.
Dans les supercondensateurs, le mécanisme de stockage d’énergie implique à la fois des électrons et des ions. Lorsqu’une différence de potentiel est appliquée, les ions de l’électrolyte se redistribuent, formant des couches de charges opposées sur les surfaces poreuses des électrodes. Ce phénomène crée une double couche électrique : une couche d’ions dans l’électrolyte et une couche d’électrons dans les électrodes. Cette double couche stocke l’énergie électrostatique. Pendant la décharge, les ions et les électrons se déplacent dans des directions opposées, permettant au courant électrique de circuler dans le circuit externe. Afin de comprendre les recherches de l’Université du Colorado, il est important de rappeler l’élément de porosité des supercondensateurs..
Avantages et inconvénients des batteries, condensateurs et supercondensateurs
Les batteries, nous le savons, libèrent de l’énergie relativement lentement mais constamment dans le temps et présentent l’avantage d’avoir une densité énergétique élevée et une longue durée de décharge. Ils ont un nombre de cycles de charge limité, une puissance de décharge limitée et présentent une dégradation des électrodes et des risques de fuites et donc d’incendies.
Les condensateurs, en revanche, libèrent de l’énergie très rapidement sous forme d’impulsions courtes, ont des temps de charge/décharge très rapides, mais ont une faible densité d’énergie, se déchargent rapidement et ont une puissance de décharge maximale limitée. Ils sont utilisés comme filtres, circuits de synchronisation ou, plus concrètement, dans les flashs d’appareils photo, par exemple.
Les supercondensateurs libèrent de l’énergie très rapidement avec des puissances de crête élevées, ont une puissance spécifique très élevée, une charge/décharge rapide et durent des millions de cycles. Malheureusement, elles ont une densité énergétique bien inférieure à celle des batteries, souffrent de courants de fuite et ont des coûts élevés. Cependant, ils sont déjà utilisés dans l’industrie électronique : on les retrouve dans le démarrage des véhicules, ou pour récupérer l’énergie du freinage du véhicule, ou encore comme système de stockage tampon qui intervient immédiatement dans les ordinateurs portables en cas de coupure de courant et avant. le PC a le temps de passer à l’énergie stockée dans la batterie lithium-ion.
Mieux comprendre comment les ions se déplacent dans les « pores » des supercondensateurs
Revenant aux matériaux poreux des supercondensateurs, les recherches de l’Université du Colorado introduisent une modification à la loi de Kirchhoff, un principe fondamental de l’électricité qui décrit le flux de courant. La loi originale ne prenait pas en compte le mouvement des ions dans des réseaux poreux complexes.
Et la loi de Kirchoff, acceptée par la science depuis près de deux siècles, constitue le principal obstacle, notamment parce que la loi prend souvent des composantes idéales (résistances, capacités, etc.). Cependant, dans les structures poreuses complexes, les propriétés des matériaux peuvent varier au niveau microscopique. Ces situations peuvent nécessiter des modèles plus sophistiqués prenant en compte les variations locales de résistivité, de capacité et d’autres propriétés électrochimiques.
En fait, en étudiant son application dans le stockage d’énergie, les chercheurs américains ont vu qu’elle semblait s’appliquer uniquement au mouvement des ions dans quelques porestandis que dans les supercondensateurs, les ions s’accumulent dans un vaste réseau de milliers de pores interconnectés.
Les scientifiques ont appliqué des techniques de génie chimique utilisées pour étudier l’écoulement dans des matériaux poreux, tels que les réservoirs de pétrole et les systèmes de filtration d’eau, ce qui a permis de développer un logiciel de modélisation permettant de mieux caractériser le mouvement des ions dans des structures similaires. Le résultat a été une nouvelle façon de prédire le mouvement des ions dans les matériaux poreux, ce qui pourrait augmenter l’efficacité énergétique des supercondensateurs..
Les évolutions de cette recherche pourraient conduire à des supercondensateurs au lieu de batteries même dans les appareils électroniques courants, ils permettent non seulement de libérer une grande puissance, mais aussi d’avoir une plus grande densité énergétique et de recharger les voitures, les ordinateurs portables et les téléphones beaucoup plus rapidement.
