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Etude et modelisation des supercondensateurs


par Yasser Diab
Damas - Doctorat 2009
  

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3.5. Effet du vieillissement sur les paramètres de supercondensateur

Les mécanismes de vieillissement du supercondensateur peuvent être dûs à des contraintes électriques, mécaniques ou l'environnementales [77] :

· Les vibrations et les chocs mécaniques conduisent à affaiblir les connexions.

· Le vieillissement dû à l'environnement est également très important. Une température élevée accélère de façon importante la perte de performance du supercondensateur.

· Les contraintes électriques (comme une surtension) peuvent conduire aussi à une perte de performances du supercondensateur. Ce phénomène est accéléré par la température et son effet est augmenté par les impuretés et par l'eau contenu dans l'électrolyte. A température plus élevée, le processus de vieillissement est accéléré par une réactivité forte de la composition chimique et à des tensions élevées plus d'impuretés participent aux réactions d'oxydoréduction. Des conditions extrêmes peuvent conduire aussi à une évaporation de l'électrolyte.

La plupart des mécanismes de vieillissement engendre une diminution de la capacité C et une augmentation de l'ESR.

L'évolution des caractéristiques du supercondensateur nous donne une idée de la durée de vie du composant. Cette dernière représente un critère primordial pour l'utilisation de ces composants dans les applications de puissance. Différents essais de vieillissement accélérés sont habituellement employés pour étudier la durée de vie tels que les tests cycliques et des essais par "floating". Les tests cycliques consistent à charger et décharger le supercondensateur sous une température donnée avec un courant constant entre deux valeurs de potentiel [35, 104, 113, 121, 134]. Le vieillissement par floating consiste à contraindre le supercondensateur sous sa tension nominale et température maximale d'utilisation.

3.5.1. Vieillissement accéléré

Dans le cadre d'une collaboration avec H. Gualous et G. Alcicek du SET (laboratoire systèmes et transports) de Belfort, G. Alcicek a fait subir à cinq supercondensateurs M600 des vieillissements accélérés à la tension nominale et à des températures différentes [135]. Nous nous intéressons dans ce qui suit à analyser l'évolution des caractéristiques électriques lors de vieillissements effectués au SET dans le cadre du Master Recherche de G. Alcicek.

3.5.1.1. Vieillissement accéléré à la tension nominale et à la température limite d'utilisation

Le premier vieillissement a été effectué sur trois supercondensateurs à 2,7 V et à 65 °C (par G. Alcicek). Les figure 3-87-a et b illustrent le pourcentage de la variation des résistances des supercondensateurs en fonction du temps par rapport à leur valeur initiale ; la résistance ESR à 55 mHz, la résistance EDR à 55 mHz et la résistance Rs pour ö = 0 ° en fonction du temps. Nous observons bien une augmentation de ces résistances et que la variation de la résistance Rs est plus importante que celle de l'ESR. Ceci est dû à la faible augmentation de la résistance liée aux accès aux pores EDR.

Fig. 3-87 : Evolution des résistances des supercondensateurs en fonction de temps

Sur la figure 3-88, nous présentons également le pourcentage de la diminution de la capacité de s supercondensateurs C à 10 mHz en fonction du temps.

Fig. 3-88 : Evolution de la valeur de la capacité C des supercondensateurs en fonction de temps

3.5.1.2. Vieillissement accéléré à la tension nominale et au-delà de la température limite d'utilisation

Deux supercondensateurs ont été vieillis par G. Alcicek à la tension nominale de 2,7 V et à la température de 70 °C. Cette dernière est supérieure à celle maximale d'utilisation prisée par le fabricant.

Les figures 3-89-a, b, c et d ci-dessous illustrent l'évolution des paramètres de deux supercondensateurs en fonction de temps. Nous constatons que la résistance EDR, la résistance R S augmente plus fortement en fonction du temps que lors du vieillissement précédent. La diminution de la capacité C est aussi plus rapide.

Fig. 3-89 : Evolution des paramètres des deux supercondensateurs en fonction de temps

La variation de la capacité du supercondensateur en fonction de la tension appliquée avant et après le vieillissement est montrée sur la figure 3-90 (ces essais ont été effectués au laboratoire Ampère). La capacité diminue de plus de 20 % pour la tension nominale (2,7 V), tandis que la diminution est plus faible pour des tensions plus faibles. Cela peut s'expliquer par la diminution de micropores accessibles du charbon actif surtout en tension élevée, et par une déformation de la structure du charbon actif [136].

Fig. 3-90 : Capacité du supercondensateur vieilli N° 2 en fonction de la tension pour un composant sain et
vieilli

De nombreuses causes peuvent être responsable s du vieillissement du supercondensateur et ainsi de la diminution progressive de sa performance [137] :

· la saturation ionique de la surface des électrodes,

· l'augmentation de la résistance de contact de l'électrode,

· la diffusion d'eau dans l'électrolyte,

· la dégradation de l'électrolyte,

· des réactions d'oxydoréduction dûes aux impuretés.

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