Selon la classification des méthodes de stockage de l'énergie, les batteries à supercondensateurs comprennent les condensateurs électriques à double couche (EDLC), les pseudocondensateurs (PC) et les supercondensateurs hybrides (HSC).
Dans cet article, nous présenterons les principes et les matériaux d'électrode de divers types de batteries à supercondensateurs, et nous résumerons les applications et les perspectives des batteries à supercondensateurs d'un point de vue scientifique et technologique.
1) Qu'est-ce que le stockage d'énergie par batterie à supercondensateurs ?
La batterie à supercondensateur, également connue sous le nom de condensateur électrochimique, condensateur électrique à double couche, condensateur à l'or et condensateur Farad, est un composant électrochimique développé dans les années 1970 et 1980 qui stocke l'énergie grâce à des électrolytes polarisés.
Elle est différente de la méthode traditionnelle stockage de l'énergie chimique. Il s'agit d'une source d'énergie dont les propriétés se situent entre celles des condensateurs et des batteries traditionnels. Elle s'appuie principalement sur les doubles couches électriques et les charges redox pseudocapacitives pour stocker l'énergie électrique.
Cependant, aucune réaction chimique ne se produit pendant le processus de stockage de l'énergie. Ce processus de stockage d'énergie est réversible, ce qui explique pourquoi la batterie à supercondensateurs peut être chargée et déchargée des centaines de milliers de fois.
Les détails spécifiques de la construction de la batterie à supercondensateur dépendent de l'application et de l'utilisation de la batterie à supercondensateur. Ces matériaux peuvent varier légèrement en fonction des exigences du fabricant ou de l'application spécifique.
Tous les supercondensateurs ont en commun de contenir une électrode positive, une électrode négative et un séparateur entre les deux électrodes. L'électrolyte remplit les pores séparés par les deux électrodes et le séparateur.
Les supercondensateurs sont composés de matériaux d'électrode poreux à surface spécifique élevée, de séparateurs de batterie poreux et d'électrolytes.
Le séparateur doit répondre aux conditions d'une conductivité ionique aussi élevée que possible et d'une conductance électronique aussi faible que possible ; il s'agit généralement d'un matériau isolant électronique à structure fibreuse, tel qu'un film de polypropylène. Le type d'électrolyte est choisi en fonction des propriétés du matériau de l'électrode.
2. Principe du condensateur à double couche (EDLC)
Condensateur à double couche électrique (EDLC) : Le stockage et la libération de la charge ne se produisent qu'à l'interface de la structure à "double couche électrique", et l'ensemble du processus est un processus physique (aucune réaction chimique ne se produit).
Par conséquent, l'EDLC présente une grande stabilité et une durée de vie relativement idéale. Pendant le processus de charge de l'EDLC, les anions et les cations de l'électrolyte sont transférés dans les directions positives et négatives du condensateur, formant ainsi une double couche électrique attachée à la surface de l'électrode poreuse.
Après charge de la batterieLes ions de l'électrolyte sur l'électrode ne peuvent pas migrer dans l'électrolyte en raison de l'attraction mutuelle des charges positives et négatives dans la double couche électrique. Par conséquent, une différence de potentiel stable entre les électrodes positives et négatives peut être maintenue, permettant ainsi le stockage de l'énergie électrique.
Lorsque l'EDLC se décharge, les électrons collectés sur l'électrode négative sont transférés à l'électrode positive par la charge, et l'équilibre de la double couche électrique entre l'électrode et l'électrolyte est rompu, et les ions de l'électrolyte retournent dans l'électrolyte.
Ce mécanisme est similaire à celui des condensateurs traditionnels, mais la distance entre la double couche et l'électrode n'est que le rayon ionique, de sorte que la capacité des condensateurs EDLC est beaucoup plus importante que celle des condensateurs traditionnels.
3. Classification du stockage de l'énergie dans les batteries à supercondensateurs
- Capacité électrique à double couche
Elle est due à la confrontation des charges provoquée par la disposition directionnelle des électrons ou des ions à l'interface électrode/solution.
Dans le cas d'un système électrode/solution, une double couche électrique se forme à l'interface entre l'électrode à conduction électronique et la solution électrolytique à conduction ionique.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué aux deux électrodes, les anions et les cations de la solution migrent respectivement vers les électrodes positives et négatives, formant une double couche électrique à la surface de l'électrode ;
Après le retrait du champ électrique, les charges positives et négatives des électrodes se mettent en phase avec les ions de charge opposée de la solution. Cette attraction stabilise la double couche électrique et produit une différence de potentiel relativement stable entre les électrodes positives et négatives.
À ce moment-là, pour une certaine électrode, une charge ionique opposée égale à la charge de l'électrode sera générée sur une certaine distance (couche de dispersion), de manière à maintenir la neutralité électrique ;
Lorsque les deux pôles sont connectés à un circuit externe, la charge sur l'électrode se chargera La migration de la charge génère un courant dans le circuit externe, et les ions de la solution migrent vers la solution pour devenir électriquement neutres. C'est le principe de charge et de décharge du condensateur électrique à double couche.
- La quasi-capacité de Faraday: Son modèle théorique a été proposé pour la première fois par Conway. Il s'agit d'un espace bidimensionnel ou quasi bidimensionnel à la surface de l'électrode et près de la surface ou dans la phase de masse.
Le matériau électroactif subit un dépôt sous-potentiel et une adsorption chimique hautement réversible se produit. La désorption et les réactions d'oxydoréduction produisent une capacité liée au potentiel de charge de l'électrode.
Pour les quasi-condensateurs de Faraday, le processus de stockage des charges ne comprend pas seulement le stockage sur la double couche électrique, mais aussi la réaction d'oxydoréduction entre les ions de l'électrolyte et les matériaux actifs de l'électrode.
Lorsque les ions (tels que H+, OH-, K+ ou Li+) de l'électrolyte diffusent de la solution vers l'interface électrode/solution sous l'action d'un champ électrique externe, ils pénètrent dans les oxydes actifs à la surface de l'électrode par le biais de la réaction d'oxydoréduction à l'interface dans la phase de masse, de sorte qu'une grande quantité de charge est stockée dans l'électrode. À propos de batterie vanadium-redoxpour plus d'informations.
Pendant la décharge, les ions qui pénètrent dans l'oxyde retournent dans l'électrolyte par la réaction inverse de la réaction d'oxydoréduction ci-dessus, et la charge stockée est libérée par le circuit externe. C'est le mécanisme de charge et de décharge du quasi-condensateur de Faraday.
4. Avantages du stockage d'énergie par batterie à supercondensateurs
- Une capacité de niveau Farad dans un très petit volume ;
- Aucun circuit spécial de charge et de décharge contrôlée n'est nécessaire ;
- Par rapport aux batteries, la surcharge et la décharge excessive n'ont pas d'impact négatif sur leur durée de vie ;
- Du point de vue de la protection de l'environnement, il s'agit d'une énergie verte ;
- La batterie du supercondensateur peut être soudée, de sorte qu'il n'y a pas de problème de contact avec la batterie.
5. inconvénients du stockage d'énergie par batterie à supercondensateur
- Une utilisation incorrecte peut entraîner des fuites d'électrolyte et d'autres phénomènes ;
- Par rapport aux condensateurs électrolytiques à l'aluminium, sa résistance interne est plus importante, de sorte qu'il ne peut pas être utilisé dans les circuits à courant alternatif.
6. la raison pour laquelle le stockage d'énergie par batterie à supercondensateur est super
- Une batterie à supercondensateur peut être considérée comme deux plaques d'électrodes poreuses non réactives suspendues dans un électrolyte. Lorsque l'électricité est appliquée aux plaques, la plaque positive attire les ions négatifs de l'électrolyte et la plaque négative attire les ions positifs. En fait, deux condensateurs sont formés. Dans la couche de stockage, les ions positifs séparés sont proches de la plaque négative et les ions négatifs sont proches de la plaque positive.
- Les batteries à supercondensateurs stockent l'énergie sous forme de charges séparées. Plus la surface utilisée pour stocker les charges est grande et plus les charges séparées sont denses, plus la capacité est élevée.
- La surface d'un condensateur traditionnel correspond à la surface de la plaque du conducteur. Afin d'obtenir un capacité de la batterieLes condensateurs traditionnels utilisent des matériaux isolants pour séparer leurs deux plaques, généralement des films plastiques, du papier, etc. Les condensateurs traditionnels utilisent des matériaux isolants pour séparer leurs deux plaques, généralement des films plastiques, du papier, etc. Ces matériaux doivent généralement être aussi fins que possible.
- La surface de la batterie à supercondensateur est basée sur un matériau de carbone poreux. La structure poreuse du matériau permet d'atteindre une surface de 2000m2/g. Certaines mesures permettent d'obtenir une surface plus importante. La distance à laquelle la batterie à supercondensateur se charge séparément est déterminée par la taille des ions de l'électrolyte qui sont attirés par les électrodes chargées. Cette distance (<10Å) est inférieure à celle que l'on peut obtenir avec les matériaux conventionnels des films de condensateurs.
- L'énorme surface associée à la très faible distance de séparation des charges confère à la batterie à supercondensateur une capacité électrostatique étonnamment élevée par rapport à celle d'un condensateur traditionnel, d'où son nom de "super".
7. Contrôler la décharge des supercondensateurs
La résistance de la batterie à supercondensateur empêche sa décharge rapide. La constante de temps τ de la batterie à supercondensateur est de 1~2s. Il faut environ 5τ pour décharger complètement le circuit résistance-condensateur.
En d'autres termes, il faut environ 5 à 10 secondes pour qu'il se décharge en cas de court-circuit (en raison de la structure spéciale des électrodes, il faut en fait plusieurs heures pour décharger complètement la charge restante).
Les batteries à supercondensateurs peuvent se charger et se décharger rapidement, le courant de pointe n'étant limité que par leur résistance interne, et même les courts-circuits ne sont pas fatals. En fait, tout dépend de la taille de la cellule du condensateur. Pour des charges adaptées, les petites cellules peuvent supporter 10 A, et les grandes cellules peuvent supporter 1000 A.
La chaleur constitue une autre limite à la vitesse de décharge. Des décharges répétées à un rythme élevé augmentent la température du condensateur et finissent par provoquer un circuit ouvert. Pour plus d'informations sur le Top 10 des producteurs de stockage d'énergie, cliquez ici. fabricants de batteries de stockage d'énergie.
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