Comprendre les supercondensateurs et leur relation avec les batteries

Le besoin de sources de stockage d'énergie fiables s'est considérablement accru avec l'essor de l'Internet des objets (IoT), de l'IoT industriel (IIoT), de l'électronique portable et d'applications plus vastes telles que les installations industrielles et les data centers. Les batteries fournissent une alimentation directe aux petits dispositifs, tandis que dans les applications plus grandes, les batteries sont fréquemment utilisées comme solution de secours en cas de défaillance de l'alimentation principale.

Les petits dispositifs dépendent souvent de piles boutons lithium-ion (Li-ion) ou alcalines pour atteindre les objectifs de petits facteurs de forme et de maintenance minimale. Les cellules Li-ion requièrent une attention particulière pour les limites de cycle de charge et la sécurité. Les batteries utilisées pour la sauvegarde peuvent s'user rapidement après une recharge rapide et nécessiter leur remplacement. Ces batteries exigent également des systèmes de gestion de batterie complexes et présentent toujours un risque d'emballement thermique, pouvant entraîner des problèmes de sécurité.

Les condensateurs à double couche électrique (EDLC), ou supercondensateurs, offrent une technologie complémentaire aux batteries. Tandis que les batteries peuvent fournir de l'énergie pendant des périodes relativement longues, les supercondensateurs peuvent fournir de l'énergie rapidement pendant de courtes périodes. Les supercondensateurs sont également respectueux de l'environnement, ne sont pas sujets à l'emballement thermique et peuvent fonctionner de manière fiable pendant 20 ans. Ils peuvent être utilisés comme seule méthode de stockage d'énergie, en combinaison avec des batteries, ou comme dispositif hybride pour optimiser la fourniture d'énergie.

Cet article décrit brièvement les supercondensateurs par rapport aux batteries. Il passe ensuite en revue quelques applications typiques, autonomes et en combinaison avec des batteries. Des supercondensateurs d'Eaton sont utilisés à des fins d'exemples.

Différences entre supercondensateurs et batteries

Un supercondensateur est un dispositif de stockage d'énergie doté d'une capacité de puissance spécifique exceptionnellement élevée par rapport aux dispositifs de stockage électrochimiques comme les batteries. Les batteries et les supercondensateurs remplissent des fonctions similaires en matière de fourniture d'énergie, mais fonctionnent différemment. Un supercondensateur fonctionne comme un condensateur classique, en ce sens que le profil de décharge pour un courant de décharge constant présente une diminution linéaire de la tension. Contrairement à une batterie, le stockage d'énergie dans un supercondensateur est électrostatique, de sorte qu'aucun changement chimique n'a lieu dans le composant, et les processus de charge et de décharge sont presque entièrement réversibles. Cela implique qu'il peut tolérer un plus grand nombre de cycles de charge et de décharge.

Les batteries stockent l'énergie de manière électrochimique. Le profil de décharge des batteries Li-ion est plat ; elles présentent une caractéristique de tension presque constante jusqu'à ce que la batterie soit presque complètement déchargée. En raison de la dégradation des mécanismes chimiques, le nombre de cycles de charge-décharge dans une batterie Li-ion est limité. Des facteurs tels que la température, la tension de charge et la profondeur de décharge influencent la réduction de la capacité de la batterie.

Les batteries Li-ion sont sujettes à l'emballement thermique, et peuvent s'enflammer spontanément et même exploser. La génération de chaleur est inévitable en raison des réactions chimiques pendant la charge et la décharge par chauffage résistif. Pour cette raison, les batteries requièrent une surveillance de la température pour garantir la sécurité de l'utilisateur.

Comparaison des spécifications des supercondensateurs et des batteries Li-ion

Les batteries fournissent une haute densité d'énergie. Les supercondensateurs ont une densité d'énergie inférieure à celle des batteries, mais une densité de puissance élevée car ils peuvent être déchargés presque instantanément. Les processus électrochimiques dans une batterie mettent plus de temps à fournir de l'énergie à une charge. Les deux dispositifs sont dotés de fonctionnalités qui répondent à des besoins spécifiques en matière de stockage d'énergie (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison des caractéristiques des supercondensateurs et des batteries Li-ion. (Source de l'image : Eaton)

La comparaison de la densité d'énergie, en wattheures par litre (Wh/L), et de la densité de puissance, en watts par litre (W/L), montre la différence la plus significative entre les dispositifs. Cela affecte également les temps de décharge ; les supercondensateurs sont destinés à fournir de l'énergie pendants de brefs intervalles (événements transitoires), tandis que les batteries gèrent des événements plus longs. Le supercondensateur se décharge en quelques secondes ou minutes, tandis qu'une batterie peut fournir de l'énergie pendant des heures. Cette caractéristique influe sur leur application.

Les supercondensateurs prennent en charge une plage de températures de fonctionnement plus étendue que les batteries. Leurs processus électrostatiques quasi sans perte contribuent également à leur meilleur rendement et à leurs taux de charge plus rapides.

Exemples de supercondensateurs

Eaton propose une gamme complète de supercondensateurs fiables pour les applications de stockage d'énergie nécessitant une haute densité de puissance et une charge rapide. Le conditionnement physique de leurs supercondensateurs correspond parfois à celui des batteries, notamment celui des piles boutons. Ils sont également disponibles dans des conditionnements cylindriques de condensateurs conventionnels (Figure 2).

Figure 2 : Les supercondensateurs sont disponibles dans des conditionnements de condensateurs cylindriques standard avec sorties radiales. Certains ont un conditionnement correspondant aux formats des piles boutons Li-ion. (Source de l'image : Eaton)

Le TV1030-3R0106-R d'Eaton illustré à la Figure 2 (à gauche) est un supercondensateur de 10 farads (F) avec une tension de fonctionnement maximum de 3 volts (V). Il est conditionné dans un boîtier cylindrique avec des sorties radiales. Le boîtier présente un diamètre de 10,5 millimètres (mm) (0,413 pouce (po)) et une hauteur de 31,5 mm (1,24 po). Il a une plage de températures de fonctionnement de -25°C à +65°C et une plage de fonctionnement étendue de -25°C à +85°C avec détarage pour fonctionner à 2,5 V ou moins. Il peut stocker 12,5 milliwattheures (mW/h) d'énergie et produire une puissance de crête de 86,5 W. Il est répertorié pour 500 000 cycles de charge/décharge.

Les supercondensateurs peuvent remplacer les piles boutons dans de nombreuses applications, telles que l'alimentation de secours de la mémoire. Le KVR-5R0C155-R d'Eaton (Figure 2, à droite) est un supercondensateur de 1,5 F répertorié à une tension de fonctionnement maximum de 5 V. Les dimensions de son boîtier sont similaires à celles d'une pile bouton de 20 mm. Il peut délivrer une puissance crête de 0,208 W. Sa plage de températures de fonctionnement s'étend de -25°C à +70°C. Il est également répertorié pour 500 000 cycles de charge/décharge.

Augmenter la densité d'énergie des supercondensateurs

L'énergie stockée dans un supercondensateur est proportionnelle à sa capacité et au carré de la tension à laquelle il est chargé. Ainsi, la densité d'énergie peut être accrue en augmentant le nombre de cellules, en les connectant en parallèle. Des densités d'énergie plus élevées peuvent être obtenues en créant des modules de supercondensateurs avec une haute capacité et des tensions de fonctionnement supérieures (Figure 3).

Figure 3 : La densité d'énergie d'un supercondensateur peut être accrue en ajoutant plusieurs cellules et en augmentant la tension de fonctionnement. (Source de l'image : Eaton)

Le PHVL-3R9H474-R d'Eaton (Figure 3, à gauche) est un supercondensateur de 470 millifarads (mF) et 3,9 V avec deux cellules. Il présente une très faible résistance série équivalente (ESR) de 0,4 ohm (Ω) pour réduire les pertes par conduction, et il peut fournir une puissance de crête de 9,5 W. Il offre une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +65°C. Comme les supercondensateurs mentionnés précédemment, il est répertorié pour 500 000 cycles de charge/décharge. Le boîtier physique mesure 14,5 mm (0,571 po) de hauteur, 17,3 mm (0,681 po) de longueur et 9 mm (0,354 po) de largeur.

Les boîtiers de supercondensateurs modulaires peuvent fournir des quantités considérables d'énergie de secours. Le XLR-16R2507B-R d'Eaton (Figure 3, à droite) a une capacité de 500 F et fonctionne avec une tension maximum de 16,2 V. Le module a une résistance ESR de 1,7 milliohm (mΩ) et peut fournir une puissance de crête de 38,6 kilowatts (kW). La plage de températures de fonctionnement s'étend de -40°C à +65°C (température de cellule). Le boîtier mesure 177 mm (6,97 po) de hauteur, 417 mm (16,417 po) de longueur et 68 mm (2,677 po) de largeur.

Supercondensateurs hybrides

Les efforts visant à combiner les caractéristiques des supercondensateurs et des batteries Li-ion ont abouti à un supercondensateur hybride appelé condensateur Li-ion (LiC). Ce dispositif augmente la densité d'énergie du supercondensateur tout en offrant des temps de réponse plus rapides que ceux d'une batterie. Le LiC a une structure asymétrique utilisant une anode en graphite dopé au lithium et une cathode en charbon actif (Figure 4).

Figure 4 : Le supercondensateur hybride réunit les caractéristiques d'un supercondensateur et d'une batterie Li-ion. Il offre un plus grand nombre de cycles de charge/décharge qu'une batterie et des taux de décharge plus élevés. (Source de l'image : Eaton)

La structure du supercondensateur hybride combine la nature électrochimique d'une batterie au lithium avec les propriétés électrostatiques d'un supercondensateur pour offrir un avantage notable aux concepteurs. Le mouvement de charge est un processus électrochimique dans le LiC, mais il s'effectue avec une moindre profondeur que dans une batterie, ce qui se traduit par un nombre accru de cycles de charge/décharge et des taux de décharge plus élevés. Le profil de décharge résultant est très similaire à celui du supercondensateur.

Par exemple, le HS1016-3R8306-R est un supercondensateur hybride de 30 F et 3,8 V, fourni en boîtier cylindrique à sorties radiales. Il présente une résistance ESR de 0,55 Ω et peut fournir une puissance de crête de 6,6 W. Sa plage de températures de fonctionnement s'étend de -15°C à +70°C, et il a une plage de fonctionnement étendue de -15°C à +85°C, avec détarage pour fonctionner à 3,5 V ou moins. Il a une durée de vie nominale de 1000 heures à la tension nominale et à la température de fonctionnement maximum. Le boîtier mesure 18 mm (0,709 po) de hauteur et 10,5 mm (0,413 po) de diamètre. Comme le supercondensateur, il est répertorié pour 500 000 cycles de charge/décharge.

Graphiques de densité d'énergie et de densité de puissance

Les distributions de densité d'énergie et de densité de puissance des dispositifs de stockage d'énergie offrent un aperçu considérable de leur utilité et de leur durée de fonctionnement effective (Figure 5).

Figure 5 : La représentation croisée de la densité d'énergie par rapport à la densité de puissance des batteries et des supercondensateurs donne un aperçu de leur durée de fonctionnement. (Source de l'image : Eaton)

Le graphique représente la densité d'énergie par rapport à la densité de puissance. Le rapport de ces paramètres donne le temps, qui est également représenté sur le graphique. Les dispositifs à haute densité d'énergie mais à faible densité de puissance se trouvent dans le coin supérieur gauche. Il s'agit notamment des piles à combustible et des batteries. Les dispositifs à haute densité de puissance mais à faible densité d'énergie, tels que les supercondensateurs et les condensateurs traditionnels, se trouvent dans le coin inférieur droit. Les supercondensateurs hybrides se situent entre ces deux groupes. Notez l'échelle de temps de chacun ; les supercondensateurs fonctionnent sur des périodes de quelques secondes, les hybrides pendant quelques minutes et les batteries pendant des heures ou plus.

Applications de stockage d'énergie

Les dispositifs de stockage d'énergie fournissent de l'énergie en cas de perte de l'alimentation principale. Un bon exemple est l'alimentation de secours pour la mémoire d'un ordinateur. On utilisait auparavant des batteries, mais les supercondensateurs trouvent désormais leur place dans cette application en raison de leur nombre de cycles de charge/recharge nettement plus élevé. De plus, avec les supercondensateurs, il n'est pas nécessaire de remplacer les batteries après un an de fonctionnement.

Les supercondensateurs sont également utilisés dans les conceptions IoT et IIoT qui reposent sur la récupération d'énergie. Ils trouvent des applications similaires dans les véhicules où ils stockent l'énergie récupérée lors du freinage.

Les supercondensateurs fournissent une puissance élevée pendant de courtes périodes. Ils peuvent être utilisés pour fournir une alimentation de secours dans les installations critiques qui doivent combler le délai d'environ dix secondes avant qu'un générateur de secours ne soit mis en service. Le supercondensateur se recharge à peu près en même temps que la période d'utilisation et peut être remis en service rapidement après une panne de courant.

Conclusion

Les supercondensateurs complètent les batteries dans la plupart des applications de stockage d'énergie. Grâce à leurs niveaux de puissance plus élevés et immédiatement disponibles, et à leurs temps de recharge rapides, ils conviennent parfaitement à une alimentation à court terme. Le nombre élevé de cycles de charge/recharge qu'ils peuvent subir sans dégradation des performances réduit les coûts de stock et de maintenance liés au remplacement des batteries.