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Comment augmenter la capacité de stockage des supercondensateurs ? Collaboration de recherche entre le CIRIMAT, IFP Energies nouvelles et le laboratoire PHENIX

Septembre 2014

Dans le cadre du projet ANR Maicanano (programme Blanc 2010),  IFP Energies nouvelles (IFPEN) a conduit avec les équipes du CIRIMAT (Toulouse) et du laboratoire PHENIX (Paris VI) des travaux de recherche visant à augmenter la capacité des supercondensateurs. L’idée était d’augmenter la surface spécifique des électrodes en les réalisant à base de matériaux poreux. Ces travaux ont permis une avancée notable dans la compréhension des phénomènes étudiés, mais aussi dans les outils nécessaires à la conception de supercondensateurs aux performances améliorées, c’est-à-dire dotés d’une capacité de stockage plus proche de celle des batteries, tout en conservant une vitesse élevée de charge et décharge.

La croissance des énergies renouvelables dans le mix énergétique passe par la résolution d’un problème inhérent à plusieurs d’entre elles (solaire, éolien), à savoir l’intermittence. Dès lors, le stockage d’énergie est un axe de recherche et d’innovation primordial pour différents types d’applications :

  • Stockage stationnaire pour les énergies renouvelables et les usages fixes,
  • Stockage embarqué pour la mobilité et les applications nomades (à base de Technologies de l’Information et de la Communication).

Le stockage d’énergie électrique, qui couvre tous ces domaines, est confronté à deux problématiques principales :

  • l’autonomie en termes de capacité stockée,
  • et la réactivité en termes de cinétique de chargement/déchargement, restitution de puissance.

Les batteries et les supercondensateurs, dispositifs parmi les plus utilisés pour le stockage d’énergie électrique, répondent différemment à ces attentes, du fait des principes qu’ils mettent en jeu. Ainsi, contrairement aux  batteries  qui stockent l’énergie sous forme chimique,  les supercondensateurs ont plutôt un fonctionnement physique : celui-ci repose sur la formation d’une double couche électrochimique à l’interface d’un électrolyte et d’une électrode polarisable de grande surface spécifique.  De ce fait, les phases de charge et décharge sont très rapides mais  la quantité d’énergie stockée est inférieure à celle des batteries.

Un moyen d’accroître cette capacité de stockage est d’augmenter la surface spécifique des électrodes en les réalisant à base de matériaux poreux.  Toutefois, il faut pour cela résoudre un problème de compatibilité de taille relative entre les pores de l’électrode  et  les ions de l’électrolyte, car si ces derniers ne parviennent plus à pénétrer dans les pores, la capacité chute drastiquement.

La collaboration de recherche entre les équipes du CIRIMAT (Toulouse), du laboratoire PHENIX (Paris VI) et celles d’IFPEN s’est attaquée à cette question à travers une approche à la fois expérimentale et théorique (modélisation moléculaire). Cette collaboration a porté sur l’étude d’une famille de supercondensateurs couplant des liquides ioniques avec des matériaux carbonés nanoporeux, et dotés d’une capacité mesurée qui est significativement plus élevée que celle attendue [1]. Par la modélisation moléculaire, l’équipe du PHENIX a proposé des modèles explicatifs de cette augmentation de capacité [2], tandis que l’équipe d’IFPEN a mis au point une méthode brevetée [3] qui permet d’optimiser la compatibilité entre l’électrolyte et le matériau d’électrode, du point de vue de la capacitance électrique.

En s’appuyant sur un calcul d’énergie d’adsorption (ΔEads dans la figure ci-dessous) pour un système avec une charge électrique non nulle, il devient ainsi possible de cibler la taille de pore optimale de l’électrode pour un liquide ionique donné, ou inversement [4].

 

[1] Anomalous Increase in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less Than 1 Nanometer
Chmiola, J.; Yushin, G.; Gogotsi, Y.; Portet, C.; Simon, P.; Taberna, P.-L.
Science  2006, 313, 1760–1763.
>>  http://dx.doi.org/10.1126/science.1132195

[2] On the Molecular Origin of Supercapacitance in Nanoporous Carbon Electrodes
Merlet, C.; Rotenberg, B.; Madden, P. A.; Taberna, P.-L.; Simon, P.; Gogotsi, Y.; Salanne, M.
Nat. Mater. 2012, 11, 306–310.
>>  http://dx.doi.org/10.1038/nmat3260

[3] Procédé Pour Déterminer l’énergie Totale Pour Désolvater Un Couple Anion-Cation et L’insérer dans L’électrode d’un Supercondensateur
Jover, J. F.; De Bruin, T.; Toulhoat, H.
 2014. FR2997316, 2014-05-02.
>> http://www.google.com/patents/WO2014068204A1

[4] Screening Methodology for the Efficient Pairing of Ionic Liquids and Carbonaceous Electrodes Applied to Electric Energy Storage
 Jover, J. F.; Lugo, R.; Toulhoat, H.; Simon, P.; de Bruin, T.
J. Phys. Chem. C 2014, 118, 864–872.
>>  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp409995q


 

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