Une équipe de chercheurs de l’Université de Nantes vient de mettre au point un dispositif permettant de produire à bas coût des supercondensateurs Lithium-Ion. Déjà utilisés en soutien des batteries pour les unités de stockage de parcs photovoltaïques ou sur des véhicules électriques, les supercondensateurs ont l’immense avantage d’une charge et décharge extrêmement rapide, associée à un nombre de cycle infiniment plus importants que les batteries. Leur faible capacité limitait encore leur essor. En leur ajoutant simplement des ions Lithium, ce verrou pourrait sauter. Explication.
Le supercondensateur est une technologie émergente, à mi-chemin entre la batterie et le condensateur. Comme un condensateur classique, il est composé de deux électrodes (armatures) séparées par un isolant polarisable (diélectrique).
Différences entre supercondensateur et condensateur
Mais, à la différence d’un condensateur, il est doté d’une double couche électrique sur chaque interface électrode-électrolyte. De plus les électrodes sont conçues pour développer la plus grande surface possible, grâce à un support en charbon microporeux ou, plus récemment, en graphène.
Ainsi, un supercondensateur peut stocker 10 000 fois plus d’énergie qu’un condensateur, et conserve sa charge bien plus longtemps.
Différences entre batteries et supercondensateurs
Comme une batterie, un supercondensateur transfère et stocke des ions. Sa base est également constitué d’un électrolyte, mélange d’ions positifs et négatifs. Dans le cas de la batterie, la charge et la décharge provoquent des réactions chimiques qui déplacent les ions de l’électrolyte vers l’intérieur ou l’extérieur de la structure atomique, entraînant un changement d’oxydation du matériau.
Dans un supercondensateur, c’est un champ électrique qui amène les ions à se déplacer vers ou depuis la surface des électrodes, sans réaction redox. Les ions se stockent et se déstockent sans aucune réaction chimique, rendant l’opération quasi immédiate. Un supercondensateur peut ainsi être chargé et déchargé infiniment plus rapidement qu’une batterie. Par comparaison, un véhicule électrique équipé d’un supercondensateur se charge, intégralement, en quelques secondes.
Supercondensateur vs batteries : avantages et inconvénients
Les avantages des supercondensateurs sur les batteries Lithium-Ion tiennent également à leur efficacité (98% contre entre 75 et 90%, grâce à une perte par chaleur minime), leur cyclabilité (nombre de cycle charge-décharge, compris entre 500 000 et 20 millions, contre environ 1 000 pour une batterie Lithium-Ion), une plus grande amplitude de température pour la charge et la décharge (de -40°C à +65°C), et leur sûreté. Avec un supercondensateur, aucun problème de décharge profonde, de risque de surcharge, d’emballement thermique ou d’explosion – contrairement à une batterie Lithium-Ion.
Mais les supercondensateurs ne sont pas encore la panacée du stockage. D’une part à cause de leur coût : même s’il a été divisé par 15 en 10 ans, le coût de stockage du kWh est environ 10 fois plus élevé que celui d’une batterie Lithium-Ion.
Mais leur principal défaut est leur faible capacité : à volume et masse égales, une batterie stocke 25 fois plus d’électricité qu’un supercondensateur classique. Pour autant, la recherche progresse, et la densité énergétique des derniers supercondensateurs commercialisés a été mulitpliée par 3, réduisant l’écart avec les batteries Lithium-Ion.
Des applications en stockage stationnaire ou en mobilité
Cette technologie est d’ailleurs déjà utilisée, notamment pour le stockage des énergies renouvelables ou pour l’alimentation des transports en commun. Les premières expérimentations de bus ou tramways roulant grâce à des supercondensateurs remontent à 2015 : le véhicule a besoin d’être rechargé très régulièrement mais, sa charge étant ultra-rapide, elle n’entrave pas sa régularité. Seul inconvénient : il faut installer des points de recharge sur les trajets des véhicules. Peu problématique pour le tramway, davantage pour le bus !
Les supercondensateurs sont également utilisés en complément d’unités de stockage plus classiques (batteries notamment) pour des parcs renouvelables. Leur vitesse de charge et de décharge les rend idéaux pour répondre à de brusques pics de demande ; ils offrent ainsi une intéressante flexibilité.
Intégrer des ions Lithium pour augmenter la densité de charge
Mais l’avenir des supercondensateurs passe par l’amélioration des technologies existantes. Associer le graphène et le carbone pour les électrodes a déjà fait gagner en densité de charge. Mais un vrai bond pourrait être réalisé en utilisant des ions Lithium : ils permettent de disposer de supercondensateur à la densité de charge proche de celle des batteries.
Seul problème : les supercondensateurs ne peuvent pas être construit avec du Lithium, à l’inverse des batteries, et ne peuvent donc pas disposer « nativement » de ces fameux ion.
Il faut donc les ajouter au dispositif, soit en chargeant d’ion Lithium un des matériau avant son intégration au supercondensateur, soit en ajoutant un additif riche en ion Lithium, qui le redistribuera lors de la première charge. Deux procédés complexes, extrêmement coûteux et peu efficaces. En effet, la majorité des additifs disponibles de pré-lithiation se dégradent à l’air et/ou au contact des solvants utilisés pour fabriquer le supercondensateur à ions lithium.
Deux additifs pour la pré-lithiation : une innovation du CNRS et de l’Université de Nantes
Mais des chercheurs de l’Institut des matériaux Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes) en collaboration avec le Münster Electrochemical Energy Technology (Université de Münster), ont peut-être trouvé la solution idéale. Ils ont décidé d’utiliser deux additifs au lieu d’un, couplés par une réaction chimique séquentielle. Le premier additif apporte les ions Lithium, le second les électrons. Chacun de ces additifs a été choisi pour son prix, ses propriétés chimiques et ses performances.
« Pendant la charge du supercondensateur à ions lithium, le premier additif (du pyrène, naturellement présent dans certains types de charbon) libère des électrons et des protons. Le second additif, Li3PO4 (produit en masse dans l’industrie du verre par exemple), capte ces protons et libère, en échange, des ions lithium ensuite disponibles pour la pré-lithiation » détaille le communiqué de presse exposant la découverte des chercheurs.
Vers une industrialisation des supercondensateurs Lithium-Ion ?
Mieux : « après la pré-lithiation, le résidu de l’un des deux additifs utilisés, le pyrène, participe au stockage des charges et augmente ainsi la quantité d’énergie électrique stockée dans le dispositif » exposent les chercheurs. Cette innovation promet une solution de pré-lithiation à faible coût, qui devrait permettre, à terme, une industrialisation de ces supercondensateurs à ion Lithium et à forte densité d’énergie.
Ces outils représenteraient une véritable aubaine pour produire des unités de stockage d’électricité ou pour équiper des véhicules électriques, seuls ou en complément de batteries plus classiques.
