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Etude et modelisation des supercondensateurs


par Yasser Diab
Damas - Doctorat 2009
  

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2.4. Technologie et recherche actuelles

2.4.1. Etat actuel de la technologie

Les premiers supercondensateurs avaient une résistance sériée élevée, ce qui induisait un

rendement moyen et une puissance spécifique limitée. Au cours des dernières années, nous avons assisté à un très grand effort de la part des fabricants afin de diminuer la résistance interne et d'augmenter la capacité de stockage ainsi que la tension nominale de fonctionnement. Le tableau 2-2 donne l'illustration de l'évolution des performances des supercondensateurs [23].

Tension
nominale
(V)

Capacité
(F)

Volume
(L)

Résistance
série
(m?)

Puissance spécifique

Énergie spécifique

Courant
(A)

2,3

100

0,031

8

4,5kW/kg ; 5,4kW/l

2,0Wh/kg ; 2,4 Wh/l

30

 

0,183

2

2,3kW/kg ; 3,6kW/l

1,5Wh/kg ; 2,4 Wh/

300

 

0,26

0,4

10,7kW/kg ; 12,8kW/l

4,5Wh/kg ; 5,1Wh/l

-

 

0,59

0,5

3,6 kW/kg ; 4,5 kW/l

2,3 Wh/kg ; 2,9Wh/l

400

 

0,6

0,6

3,0 kW/kg ; 3,7kW/l

2,7Wh/kg ; 3,3 Wh/l

400

 

0, 59

0,59

1,7 kW/kg ; 1,9kW/l

4,1Wh/kg ; 4,5 Wh/l

200

2,5

200

0,047

1,8

16kW/kg ; 18 kW/l

3,2Wh/kg ; 3,7Wh/l

50

 

0,14

0,6

16,3kW/kg ; 18,8 kW/l

3,3Wh/kg ; 3,8Wh/l

300

 

0,23

0,4

13kW/kg ; 17,3 kW/l

3,5Wh/kg ; 4,6Wh/l

300

 

0,52

0,23

11,3kW/kg ; 13kW/l

3,9Wh/kg ; 4,5Wh/l

500

 

0,64

0,2

11,2kW/kg ; 12,3kW/l

4,5Wh/kg ; 4,9Wh/l

500

 

0,80

0,25

7,4kW/kg ; 7,8kW/l

5,1 Wh/kg ; 5,4 Wh/l

500

2,7

2600

0,36

0,28

4,1 5 kW/kg

5,6 Wh/kg

500

 

Tab. 2-2 : Évolution des caractéristiques des supercondensateurs de MAXWELL [23]

Les premières gammes de tension des supercondensateurs utilisés dans le commerce étaient de l'ordre de 2,3 V, leur capacité maximale de 3600 F et le courant maximal de 400 A. La seconde gamme avait une tension nominale de 2,5 V ce qui engendrait une augmentation importante de l'énergie stockée et de la puissance spécifique (la résistance série était plus faible).

Ces supercondensateurs ont plusieurs atouts pour les applications de traction électrique [24]. Leur utilisation comme système de puissance secondaire permet de fournir une source de puissance rapidement disponible lors des phases d'accélération et de freinage. En effet, leur constante de temps étant plus faible que celle des générateurs électrochimiques classiques

(charge ou décharge possible en quelques secondes) les supercondensateurs sont capables de fournir une puissance importante sur un temps très court [1]. De plus, l'utilisation d'un supercondensateur associé à une batterie permet d'augmenter la durée de vie de cette dernière en évitant les décharges profondes lors des appels de puissance. Enfin ce genre de dispositif possède une bonne cyclabilité (plus de 5.105 cycles).

Comme nous pouvons le voir sur le tableau 2-3, les supercondensateurs se positionnent entre les batteries et les condensateurs classiques [25]. Ils sont caractérisés par leur énergie spécifique bien plus élevée que celle des condensateurs classiques. Par contre , l'énergie stockée est 10 fois plus faible que l'énergie stockée dans une batterie. Le problème des batteries classique réside dans leur faible puissance spécifique qui représente un dizaine de pourcents de la puissance classique d'un supercondensateur.

 

Condensateur classique

Supercondensateurs

Batteries

Énergie spécifique (Wh.kg-1)

<0.1

1 à 10

10 à 150

Puissance spécifique (W.kg-1)

<100000

<10000

<1000

Durée de vie (cycles)

>500000

>500000

1000

Durée de la charge
nominale

10-6 à 10-3

1 à 30 secondes

1 à 5 heures

Durée de la décharge
nominale

10-6 à 10-3

1 à 30 secondes

0,3 à 3 heures

Rendement
décharge/charge (%)

>95%

85% à 98%

70% à 85%

 

Tab. 2-3 : Comparaison des différents systèmes de stockage [1]

Le tableau 2-4 donne une liste non exhaustive de supercondensateurs ou de modules commerciaux. Quelques valeurs caractéristiques sont données à titre indicatif pour un modèle donné [26].

 
 
 
 

Exemple de valeurs caractéristiques

Société Pays

Nom
commercial

Electrolyte
/Electrodes

Gammes
Tensions
Capacités

Tension
Capacité
Résistance
série

Masse
Volume

Energie
spécifique

Puissance
spécifique

BATSCAP
France

SC

Organique

-

2,7 V
0,35 m?

500 g

5,3 Wh /kg

20 kW/kg

ELNA
Japon

Dynacap

Organique

2,5 à 6,3 V

2,5 V

-

>0,97 Wh/l

0,4kW/l

EPCOS
Allemagne/Japon

UltraCap

Organique

2,3 à 56 V

2,3 V

725 g

2,74 Wh/kg

3,04 kW/kg

 

/carbone

7 à 2 700 F

2 700 F
0,6 mW

590 cm3

3,36 Wh/l

3,74 kW/l

Evans Corp Etats-Unis

Evans Corp États-Unis

Capattery

H2 SO4 /H2 O

5,5 et 11 V

5,5 V

-

-

-

 

/carbone

0,47 à 1,5 F

1 F

14,2 cm3 *

0,3 Wh/l

1 kW/l

 
 
 

0,5 W

 
 
 
 

H2 SO4 /H2 O ou
KOH/H2 O

7 à 20 V

14 V

5 000 g

0,35 Wh/kg

2,5 kW/kg

 

/carbone

8 à 420 F

65 F

2 709 cm3

0,66 Wh/l

4,6 kW/l

 
 
 

9 W

 
 
 
 

H2 SO4 /H2 O

3 à 125 V

54 V

57 g

0,128 Wh/kg

426 kW/kg

 

/Ta, Ta2 O5

10- 3 à 200 mF

18 mF

19,4 cm3

0,376 Wh/l

1 253 kW/l

 

/RuO2

 

30 mW

 
 
 

Maxwell
États-Unis

PowerCache

Organique

2,3 et 4,6 V

2,7 V

725 g

2,53 Wh/kg

3,04 kW/kg

 

/carbone

4 à 2 500 F

2 500 F

614 cm3

2,99 Wh/l

3,59 kW/l

 
 
 

0,6 mW

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Société Pays

Nom
commercial

Electrolyte
/Electrodes

Gammes
Tensions
Capacités

Tension
Capacité
Résistance
série

Masse
Volume

Energie
spécifique

Puissance
spécifique

Tokin/NEC
États-Unis/Japon

Super-capacitor

H2 SO4 /H2 O

5,5 et 11 V

5,5 V

65 g

0,065 Wh/kg

0,046 kW/kg

 

/carbone

0,01 à 1 F

1 F

28,8 cm3 *

0,15 Wh/l

0,105 kW/l

 
 
 

2,5 W

 
 
 

Panasonic
Japon

Gold Capacitor

Organique

2,3 à 5,5 V

2,5 V

1,8 g*

0,48 Wh/kg

0,87 kW/kg

 

/carbone

0,0022 à 22 F

1 F

1,1 cm3 *

0,79 Wh/l

1,42 Wh/l

 
 
 

1?

 
 
 

Samyoung
Corée

PRO-CAP

Organique

5,5 V

5,5 V

-

-

-

 

/carbone

0,022 à 1 F

1 F

1,42 cm3 *

3 Wh/l

0,18 kW/l

 

Tab. 2-4 : Supercondensateurs ou modules commerciaux [26]

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