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Etude et modelisation des supercondensateurs


par Yasser Diab
Damas - Doctorat 2009
  

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2.3.2. Electrolytes

Dans les supercondensateurs, la résistance interne est composée de deux termes. Le premier est associé à la conduction électronique et est donc dépendant de la qualité électrique des électrodes. Le second, associé à la conduction ionique, dépend de la conductivité de l'électrolyte, ainsi que de l'aptitude des ions à migrer plus ou moins aisément dans la porosité de l'électrode jusqu'à la couche double. Il est par conséquent essentiellement lié aux caractéristiques de l'électrolyte, telles que [15,16] :

· la concentration en porteurs de charges libres (fonction de la solubilité du sel dans le solvant et du taux de dissociation du sel),

· la mobilité de ces porteurs (fonction de la viscosité du solvant et de la taille effective des ions en solution),

· la solvatation des ions,

· la valence des ions.

Rappelons de plus que la densité d'énergie des supercondensateurs dépend fortement de leur tenue en tension, paramètre étroitement lié à la stabilité électrochimique du solvant électrolytique. C'est le second critère majeur, guidant le choix des électrolytes utilisés dans la fabrication des supercondensateurs. Ainsi trouve-t-on deux types d'électrolyte pour supercondensateurs [4] :

· les électrolytes aqueux, tels que l'acide sulfurique ou la potasse,

· les électrolytes organiques, tel que le carbonate de propylène et l'acétonitrile.

Les électrolytes aqueux furent historiquement les premiers employés [15,16] pour la réalisation industrielle des supercondensateurs, en raison de leur excellente conductivité ionique (de l'ordre de 1 S.cm-1). Les dispositifs associés présentent des puissances spécifiques élevées, typiquement de quelques kW.kg-1. De plus, les ions sont de taille relativement faible (1 à 2 nanomètres) et accèdent facilement à la microporosité de la matière active de l'électrode. Aussi observe-t-on des capacités plus élevées en milieu aqueux qu'en milieu organique (pour lequel les ions, de taille généralement plus importante, voient une surface effective plus faible). En revanche, la tenue en tension des supercondensateurs à électrolyte aqueux est limitée à 1,2 V, tension d'électrolyse de l'eau. Par conséquent, l'énergie spécifique de ces dispositifs est faible, typiquement de 1 Wh.kg-1. En outre, la nature corrosive de l'électrolyte aqueux impose des restrictions dans le choix des matériaux d'électrode.

L'utilisation d'électrolytes organiques a eu pour but l'obtention de tensions de polarisation, sans effets faradiques, plus importantes. Actuellement, la tension nominale des dispositifs à électrolyte organique est de 2,5 V à 2,7 V. La densité d'énergie, de l'ordre de 5 Wh.kg-1, est donc considérablement accrue. Cependant, la conductivité ionique de ces composés étant médiocre (elle dépasse difficilement 0,03 S.cm-1), le gain en tension de service ne se traduit que par une augmentation modérée de la puissance spécifique. Plusieurs travaux, tels que ceux présentés par G. Herlem et al [17], sont actuellement menés pour améliorer la conductivité des électrolytes organiques.

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