Le supercondensateur : l'instantanné

Stocker sans chimie

Une batterie stocke l’énergie par une réaction chimique : ses électrodes se transforment à chaque charge et à chaque décharge, et s’usent un peu à chaque fois. Un condensateur classique la stocke par un champ électrique entre deux armatures : rien ne s’use, mais il n’en contient presque pas.
Le supercondensateur réunit le meilleur des deux. Ses électrodes sont en carbone poreuxDu charbon actif, le plus souvent : un seul gramme développe une surface de 1 000 à 2 000 m², l’équivalent de plusieurs terrains de tennis., baignées dans un électrolyte. Sous tension, les ions de l’électrolyte viennent se plaquer contre chaque électrode :C’est la double couche électrique. Comme dans un condensateur, aucune réaction chimique : les charges se rangent, puis repartent. Mais la surface est gigantesque et l’épaisseur de l’isolant se compte en nanomètres. D’où des capacités qui ne se comptent plus en microfarads, mais en farads, voire en milliers de farads.
Revers de la médaille : l’électrolyte ne supporte que 2,7 V environ par élément, rarement plus de 3 V.

Combien d’énergie ?

L’énergie stockée dans un condensateur, quel qu’il soit, vaut :Un gros élément de 3 000 F chargé à 2,7 V contient ½ × 3 000 × 2,7² ≈ 10 900 J, soit à peine 3 Wh. Pour une masse d’un demi-kilogramme environ : c’est très peu.

La tension n’est pas stable :

Dans une batterie, la tension reste presque constante pendant la décharge. Dans un supercondensateur, elle chute proportionnellement à la charge restante. Et comme l’énergie suit le carré de la tension, descendre à la moitié de la tension, c’est avoir déjà rendu 75 % de l’énergie. Pour l’exploiter, il faut presque toujours un convertisseur qui maintient une tension de sortie fixe.

Ordres de grandeur :

Technologie	Énergie massique	Puissance massique	Cycles
Condensateur électrolytique	< 0,1 Wh/kg	très élevée	illimités
Supercondensateur	5 à 10 Wh/kg	5 à 15 kW/kg	500 000 à 1 000 000
Plomb	30 à 40 Wh/kg	≃ 0,2 kW/kg	300 à 1 500
Lithium-ion	150 à 250 Wh/kg	0,3 à 2 kW/kg	1 000 à 6 000

Le supercondensateur n’est donc pas une batterie en mieux : il stocke peu, mais il rend tout, tout de suite, et un million de fois.

Mise en série et équilibrage

Avec 2,7 V par élément, il faut en placer plusieurs en série pour atteindre une tension utile : 6 éléments donnent 16,2 V, un module courant pour les applications automobiles. Mais la capacité, elle, se divise : 6 éléments de 120 F en série ne font plus que 20 F.

Or deux éléments « identiques » ne le sont jamais tout à fait. Leurs capacités et leurs fuites diffèrent de quelques pourcents, et la tension ne se répartit pas uniformément : l’un peut dépasser ses 2,7 V pendant que son voisin reste en dessous.

D’où l’équilibrage, par résistances ou par un petit circuit électronique sur chaque élément :

Ce qui le fait vieillir :

Pas les cycles, ou si peu, mais la tension et la température. Un élément maintenu en permanence à sa tension maximale, dans un compartiment chaud, perd sa capacité bien plus vite. À l’inverse, il supporte très bien le froid, jusqu’à −40 °C.
Enfin, un défaut souvent passé sous silence : son autodécharge est bien plus forte que celle d’une batterie.

Laissé seul, il perd une bonne part de sa charge en quelques jours à quelques semaines. On ne stocke pas d’énergie d’un mois sur l’autre dans un supercondensateur.

Photos de modules 133 F

6 Super-capas de 700 farads en série (on voit bien le BMS) :