👃🏿 ⚜️ 💟 Quelles sont les causes des différences entre les batteries et les supercondensateurs 👩🏻‍💼 🤾🏿 ⛓️

Les sources d'énergie électrochimique sont utilisées partout aujourd'hui et ont des caractéristiques distinctives: la capacité, ou la quantité d'énergie stockée, ainsi que la puissance, ou la capacité de transférer ou d'accumuler rapidement cette énergie (décharge / charge à des courants élevés). De plus, la sécurité et la longévité sont très importantes pour les batteries. Dans cet article, je vais vous expliquer en quoi les batteries et les supercondensateurs diffèrent au niveau chimique et comment cela affecte leurs caractéristiques techniques.

Je vais commencer par les piles. Aujourd'hui, les batteries lithium-ion et nickel-hydrure métallique (NiMH) sont les plus couramment utilisées, mais les batteries lithium-ion remplacent progressivement le NiMH pour plusieurs raisons. Premièrement, les batteries lithium-ion sont plus gourmandes en énergie. En effet, par rapport aux électrolytes alcalins NiMH, qui limitent la tension de la cellule à 1,2 V, les électrolytes des batteries au lithium-ion à base de carbonate fournissent une tension de 3V. Et cela signifie moins de cellules nécessaires pour atteindre une certaine tension, ainsi que des tailles plus compactes, ce qui est simplement nécessaire pour les appareils électroniques portables modernes. Et, plus important encore, par rapport au NiMH, qui utilise des alliages avec des métaux des terres rares, les batteries lithium-ion contiennent des matériaux moins chers.

Le fonctionnement des batteries lithium-ion est le suivant: les ions lithium sont intégrés dans le matériau en couches de l'anode (le plus souvent du graphite) ou de la cathode (oxydes de métaux de transition) pendant la charge et la décharge. La capacité est déterminée par la quantité de lithium intégrée dans les électrodes, et si la capacité, comme mentionné ci-dessus, les batteries lithium-ion sont bonnes, puis avec la puissance (c'est la capacité de la batterie à se charger et se décharger rapidement à des courants élevés, par exemple, pendant l'accélération et le freinage régénératif dans les véhicules électriques) ce n'est pas si simple. Par exemple, lors d'une charge trop rapide, les ions lithium n'ont pas le temps de s'intégrer dans les cristaux et de former des chaînes de lithium métal (dendrites) sur l'anode, ce qui peut conduire à un court-circuit, notamment à basse température. Une décharge trop rapide peut détruire le cristal de cathode et entraîner un vieillissement prématuré de la batterie.

Qu'est-ce qui détermine la puissance de la batterie? La puissance de la batterie dépend de plusieurs paramètres: la conductivité de l'électrode, constituée du matériau actif et des additifs, la vitesse des processus électrochimiques se déroulant dans les matériaux actifs, ainsi que la conductivité ionique de l'électrolyte. Pour améliorer en quelque sorte la puissance des batteries lithium-ion, si elles sont destinées à être utilisées à des courants élevés, les fabricants créent des électrodes spéciales plus fines: elles contiennent moins de matière active, mais plus d'additifs de carbone. En conséquence, la conductivité de l'électrode augmente, mais, hélas, en diminuant la quantité de matière active, la capacité diminue également. De plus, même si une telle technologie améliore la conductivité des électrodes, n'oubliez pas les autres paramètres qui affectent la puissance, notamment la lente incorporation du lithium dans les cristaux (difficultés de diffusion),que cette technologie n'affecte en aucune façon.

Mais ici, les nanomatériaux viennent à notre aide: pour s'intégrer dans le nanocristal, le lithium n'a pas besoin de se déplacer sur de longues distances, donc l'intercalation est beaucoup plus rapide.

Mais hélas, les nanomatériaux présentent également des inconvénients, en particulier, leur réactivité chimique accrue, ce qui réduit la durée de vie de la batterie. En général, en essayant d'améliorer l'un des paramètres de la batterie, tous les autres s'aggravent souvent.

Mais si la batterie doit encore fonctionner à des courants très élevés, auxquels ni la méthode de production des électrodes ni la structuration des matériaux actifs ne sont utiles, le supercondensateur vient à la rescousse. Le supercondensateur à première vue ressemble à une batterie: il possède également deux électrodes placées dans un électrolyte. Mais ce n'est qu'à première vue. En fait, le supercondensateur stocke l'énergie sous la forme d'une couche d'ions qui se fixe à la surface des électrodes (double couche électrique). La capacité de ces appareils dépend directement de la surface de l'électrode et le charbon actif est souvent utilisé comme matériau actif. Étant donné que, contrairement aux batteries lithium-ion, il n'y a pas de réactions d'oxydoréduction dans les supercondensateurs et que les ions ne doivent être intégrés nulle part, la charge et la décharge sont beaucoup plus rapides,et les appareils eux-mêmes sont plus durables.

Mais pourquoi, ayant une telle puissance remarquable, les supercondensateurs ne peuvent pas être utilisés comme sources d'alimentation indépendantes au lieu de batteries? Mais le fait est que le processus de formation d'une double couche électrique est beaucoup moins énergivore que les réactions redox, par conséquent, malgré le fait que les supercondensateurs s'accumulent et donnent de l'énergie rapidement, sa quantité est très faible par rapport aux batteries. De plus, les supercondensateurs sont soumis à une forte auto-décharge: si une batterie chargée perd plusieurs pour cent de sa capacité en un mois, alors le supercondensateur peut se décharger complètement pendant cette période. Par conséquent, les supercondensateurs sont généralement utilisés en conjonction avec des batteries énergivores et jouent le rôle d'une source d'alimentation exclusivement aux charges de pointe.

L'autodécharge est une chute de tension progressive dans une source d'alimentation électrochimique si elle est déconnectée du réseau. Dans les batteries au lithium-ion, il est associé à l'oxydation progressive de l'électrolyte au niveau de la cathode, à la suite de quoi des électrons sont libérés qui sont utilisés par les matériaux de la cathode pour incorporer le lithium dans leur structure (un processus qui se produit pendant la décharge). Étant donné que l'électrolyte est oxydé lentement, l'autodécharge est également lente. Mais le mécanisme exact de l'autodécharge des supercondensateurs n'est pas encore connu, mais il est associé à des ions d'électrolyte qui entrent en réaction redox à la surface des électrodes.

Au final, il convient de noter qu'il existe également des supercondensateurs «pseudo-capacitifs», également appelés supercondensateurs électrochimiques, dans lesquels des processus redox plus énergivores ont lieu à la surface des matériaux actifs, mais la capacité de ces appareils est toujours inférieure à celle des batteries, et ils souffrent également de forte auto-décharge.

Sources:

Linden's Handbook of Batteries, Fourth Edition
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 24, N ° 2, 2009
J. Electrochem Soc., Vol. 145, N ° 10, 1998
BE Conway, Supercondensateurs électrochimiques: fondements scientifiques et applications technologiques, 1999

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