Systèmes de stockage d’énergie électrochimique

Introduction


Les systèmes de stockage d’énergie électrique (SEE) constituent un élément essentiel du développement de technologies énergétiques durables. L’énergie électrique produite à partir de ressources renouvelables telles que le rayonnement solaire ou le vent offre un grand potentiel pour répondre à nos besoins énergétiques de manière durable. Cependant, ces technologies d’énergie renouvelable génèrent de l’électricité par intermittence et nécessitent donc des méthodes de stockage d’énergie électrique efficaces et fiables. Pour une utilisation finale commerciale et résidentielle, l’électricité doit être disponible de manière fiable à tout moment de la journée. En fait, des fluctuations d’une seconde à l’autre peuvent entraîner des perturbations majeures dont les coûts sont estimés à des dizaines de milliards de dollars par an. Ainsi, le développement de nouveaux systèmes EES sera essentiel dans l’utilisation de la production d’électricité solaire ou éolienne à grande échelle. De plus, des systèmes EES grandement améliorés sont nécessaires pour permettre l’utilisation généralisée des véhicules électriques hybrides (HEV), des hybrides rechargeables et des véhicules tout électriques. Des améliorations des performances, de la fiabilité et de l’efficacité de l’ESS sont nécessaires dans le développement d’appareils électroniques portables modernes tels que les ordinateurs portables et les téléphones intelligents.


Condensateurs électrochimiques


Fig. 1. Classification des condensateurs électrochimiques en condensateurs électriques à double couche et pseudo-condensateurs.

Les condensateurs électrochimiques (ECs), également appelés supercondensateurs ou ultracondensateurs, sont généralement classés en deux catégories en fonction de leurs différents mécanismes de stockage d’énergie, à savoir les condensateurs électriques à double couche (EDLCs) et les pseudocondensateurs. Premièrement, les EDLCs stockent physiquement les charges dans des doubles couches électriques se formant à proximité des interfaces électrode / électrolyte. Ainsi, le processus est hautement réversible et la durée de vie du cycle est essentiellement infinie. D’autre part, les pseudocondensateurs stockent de l’énergie non seulement via une double couche électrique comme celle des EDLCs, mais également des réactions d’oxydation-réduction de surface rapide (redox) ainsi qu’une éventuelle intercalation ionique dans l’électrode.

Les performances des condensateurs électrochimiques sont déterminées par la combinaison du matériau d’électrode et de l’électrolyte utilisé. Il existe trois principales catégories de matériaux d’électrode utilisés pour les ECs, à savoir (1) les matériaux à base de carbone, (2) les oxydes de métaux de transition et (3) les polymères conducteurs. De même, trois types de matériaux d’électrolyte sont utilisés pour les ECs, notamment (1) des électrolytes aqueux, (2) des électrolytes organiques et (3) des liquides ioniques.


Parcelle de Ragone


Fig.2. Densité de puissance vs densité d’énergie de divers systèmes de stockage d’énergie.

Les performances des ECs peuvent être comparées dans le graphique Ragone en traçant leurs densités d’énergie et de puissance respectives comme illustré sur la figure 2 pour différents dispositifs de stockage d’énergie électrique. En raison de leur stockage de charge physique, les condensateurs présentent des densités de puissance très importantes par rapport aux batteries et piles à combustible, mais de faibles densités d’énergie. D’autre part, les batteries et les piles à combustible ont de grandes densités d’énergie mais de faibles densités de puissance en raison de leur cinétique de réaction lente. Les condensateurs électrochimiques comblent l’écart entre les condensateurs et les batteries / piles à combustible. Ils offrent la perspective de maintenir la densité d’énergie élevée des batteries sans compromettre la densité de puissance élevée des condensateurs.


Objectifs


Comprendre les effets combinés des phénomènes interfaciaux, de transport et électrochimiques se produisant dans les condensateurs électrochimiques est essentiel à leur développement.Notre travail de laboratoire vise (1) à développer une modélisation physique rigoureuse et validée expérimentalement des condensateurs électrochimiques, (2) à identifier les des phénomènes contrôlant le comportement des condensateurs électrochimiques, et (3) pour formuler des règles de conception pour la morphologie des électrodes poreuses et pour l’électrolyte.


Source de la page: http://www.seas.ucla.edu/~pilon/EES.html
Traduit par Mathilde Guibert

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