André Mousset
Lorsqu’il s’agit de stocker et de restituer rapidement de l’énergie électrique le super-condensateur est imbattable, avec des applications dans les voitures et bus électriques, les trains et trams, les ascenseurs, les grues, …, mais aussi pour l’alimentation des unités de mémoire vive statique (SRAM).
Un supercondensateur est un condensateur permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les accumulateurs et les condensateurs classiques.
Depuis 1950, les chercheurs ont développé des condensateurs à capacité de plus en plus élevée en expérimentant avec des électrodes en charbon actif.
A partir de 1975, Brian Evans Conway mena des travaux de recherche sur le condensateur électrochimique à l’oxyde de ruthénium. Ce n’est qu’en 1999, qu’il créa le terme « super-condensateur », tout en ayant apporté une contribution énorme à la compréhension du fonctionnement des condensateurs électrochimiques.
Entretemps il existe une multitude de types de super-condensateurs, combinant doubles couches de Helmholtz et effets électrochimiques.
Pour le tram de Luxembourg, l’intérêt du condensateur est de charger un maximum d’énergie électrique en quelques secondes.
Avec des condensateurs classiques il faudrait des plaques à surface énorme se rapprochant le plus près possible, avec un excellent diélectrique. Toutefois ces condensateurs classiques nécessiteraient un espace et une masse énorme, pour quand-même assez peu d’énergie. C’est pourquoi les chercheurs n’ont pas cessé d’inventer de nouveaux types de condensateurs capables de stocker des quantités croissantes d’énergie pour un même volume. A ce jour, la palme d’or revient au supercondensateur.
Quel est le principe de fonctionnement d’un condensateur classique ?
Dans sa version la plus simple, un condensateur est un composant électronique avec deux bornes comprenant deux plaques métalliques (conductrices) entre lesquelles se trouve intercalée une substance isolante (diélectrique).
Figure schématique : Condensateur chargé. Entre les deux plaques se trouve un diélectrique (gris-bleu)
Si on connecte l’une des bornes au pôle + d’une pile et l’autre borne au pôle –, les plaques se chargent rapidement avec la même polarité que celle du pôle connecté. Il y a autant de charges + que de charges -. Si la tension de la pile était de 9 V, alors il y a également 9 V entre les deux plaques. Dans le cas idéal, si on déconnecte la pile les plaques resteront toujours chargées et la tension restera égale à 9 V. Pour décharger le condensateur, il suffit de relier les deux bornes par un simple fil conducteur. Les électrons en excès de la plaque – s’écouleront à travers le fil pour compenser rapidement le défaut d’électrons de la plaque +.
Le condensateur permet de « condenser » des charges sur ses plaques. En effet, sur deux plaques rapprochées s’accumule une charge beaucoup plus grande que celle qui se répartirait sur une seule plaque isolée. La cause est que les charges de signe opposé s’attirent mutuellement. Et comme cette force est d’autant plus grande que la distance entre les charges est petite, la charge accumulée sur les plaques est d’autant plus grande que ces plaques sont rapprochées.
Aux bornes d’un condensateur chargé règne une tension électrique. Cela veut dire que les charges possèdent de l’énergie électrique. En d’autres termes, le condensateur chargé emmagasine de l’énergie électrique. Cette énergie est d’autant plus grande qu’il y a plus de charges accumulées sur les plaques et que la tension entre ces plaques est plus élevée.
Pour le tram, l’intérêt du condensateur est de charger un maximum d’énergie électrique en quelques secondes. Avec des condensateurs classiques il faudrait des plaques à surface énorme se rapprochant le plus près possible, avec un excellent diélectrique. Toutefois ces condensateurs classiques nécessiteraient un espace et une masse énorme, pour quand-même assez peu d’énergie. C’est pourquoi les chercheurs n’ont pas cessé d’inventer de nouveaux types de condensateurs capables de stocker des quantités croissantes d’énergie pour un même volume. A ce jour, la palme d’or revient au supercondensateur.
Quel est le principe de fonctionnement du supercondensateur ?
Le diélectrique est remplacé par un électrolyte. (Un électrolyte est une substance contenant des ions mobiles.) La charge des plaques est alors compensée par des ions de charge opposée, qui sont attirés à leur surface. On obtient ainsi deux doubles couches (dites de Helmholtz), en fait deux condensateurs en série. Dans ces couches les charges de signe différent ne sont séparées que par quelques dixièmes de nanomètre.
En plus, il faut offrir le plus de surface possible aux plaques pour qu'une grande quantité d'ions puissent s'y accrocher. Les plaques des supercondensateurs commerciaux sont composées de charbon actif, un matériau plein de pores fournissant une surface par unité de volume élevée. Les pores sont des petites zones dont la taille est de l'ordre du nanomètre (un nanomètre est un million de fois plus petit qu'un millimètre). La plaque pleine de pores agit un peu comme une « éponge électrique ».
Enfin, un séparateur microporeux empêche tout court-circuit entre les plaques. Il doit tout de même laisser passer les ions de l'électrolyte.
L’épaisseur des couches de charbon actif est de l’ordre de 0,1 mm, la surface effective peut atteindre 3000 m2 pour 1 g de charbon actif. Ce qui est énorme !
Les supercondensateurs « standards » sont chargés à une tension de l’ordre de 2,5 V. Pour obtenir une tension de 500 V il faut disposer 20 supercondensateurs en série. (Les tensions s’ajoutent alors.)
La densité d’énergie des supercondensateurs actuellement commercialisés atteint 15 Wh/kg. A titre de comparaison, les meilleurs accumulateurs lithium-ion atteignent 350 Wh/kg.
Figure schématique : Un supercondensateur est constitué de quatre éléments principaux : 1. les collecteurs de courant ; 2. le charbon actif des plaques ; 3. l'électrolyte ; le 4. le séparateur microporeux. Les charges encerclées représentent des ions de l’électrolyte, les charges du charbon actif un défaut ou un excès d’électrons.
Auteur : André Mousset
Figures schématiques : André Mousset
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La charge électrique est « une propriété » (on n’en connaît pas encore la nature intime !) de certaines particules qui interagissent entre elles. Jusqu’à ce jour on a détecté deux sortes de charges : l’une est appelée « charge positive », l’autre « charge négative ». Les particules à même type de charge se repoussent tandis que les particules à types de charge différents s’attirent.
Les électrons ont tous une même charge négative. Ils se repoussent entre eux. Les protons sont tous une même charge positive et se repoussent également mutuellement. Par contre les électrons et les protons s’attirent. Les neutrons ne possèdent pas de charges donc n’interagissent pas de cette façon avec les électrons ou les protons.
La charge d’une particule est mesurable. Il se trouve que l’électron et le proton ont la même charge au signe près. C’est d’ailleurs la plus petite charge qu’on a pu détecter jusqu’à ce jour dans l’univers. Pour cette raison on l’appelle « charge élémentaire ». Elle est notée « e » : e = 1,6 10-19 C.
1 C = 1 coulomb : c’est l’unité de mesure avec laquelle on exprime la charge.
La tension électrique par rapport à la terre est l’énergie électrique que possède une charge de 1 C par rapport à la terre. Elle est mesurable et exprimée en volt.
En effet, une même particule chargée peut avoir beaucoup ou peu d’énergie, ou bien même n’avoir pas d’énergie du tout.
La tension électrique est encore appelée « différence de potentiel électrique ». On peut dire : la ligne aérienne de contact a un potentiel de 750 V et les rails reliés à la terre ont le potentiel 0 V. La tension entre la ligne et les rails (= la différence de potentiel entre la ligne et les rails) vaut alors 750 V.
La terre est par définition toujours au potentiel 0 V.
Un déplacement collectif de particules chargées est appelé « courant électrique ». Or ce sont justement les particules chargées qui possèdent l’énergie électrique. Un courant électrique correspond donc à un transport d’énergie électrique d’un endroit à un autre.
Dans les métaux, les particules chargées susceptibles de créer un courant électrique sont les électrons. En effet chaque atome dispose de un, deux, …, électrons libres, c’est-à-dire, non liés à l’atome. Ces électrons peuvent donc se déplacer à travers l’ensemble du corps métallique et former éventuellement un courant électrique. Pour cette raison les métaux font partie des substances qui conduisent le courant électrique : les « conducteurs électriques ». La vitesse de déplacement des électrons est environ 1 mm/s.
D’autres substances solides ne permettent pas la mise en mouvement collectif des électrons car tous les électrons sont liés aux atomes ou aux molécules. Ces matériaux sont appelés « isolants électriques ».
Dans les liquides, les particules chargées mobiles sont des ions, c’est-à-dire, des atomes, des molécules ou des fragments de molécules ayant un, deux, …, électrons en excès (ions négatifs) ou en défaut (ions positifs). La vitesse de déplacement des ions y est environ 0,01 mm/s.
Dans les gaz, les particules chargées sont à la fois des ions et des électrons. La vitesse de déplacement varie beaucoup et peut être très grande.
Le courant électrique n’est détectable que pas ses effets : échauffement, réactions chimiques dans les liquides, apparition d’un champ magnétique, émission de rayonnements lumineux.
Le courant électrique circule dans un circuit électrique fermé, c’est-à-dire, en partant d’un point, à travers un ensemble de conducteurs électriques, et revenant au point de départ. Pour qu’un courant prenne naissance il faut que deux points du circuit aient des potentiels électriques différents. C’est-à-dire qu’il existe une tension électrique entre deux points du circuit. Le rôle de créer cette tension revient au générateur électrique placé dans le circuit : pile, accumulateur, génératrice, cellule photovoltaïque, …
L’intensité de courant électrique est la quantité de charge qui traverse une section du conducteur par seconde. Elle correspond au débit de l’eau s’écoulant dans une rivière.
Elle est mesurable et exprimée en ampère. Un fil est traversé par un courant de d’intensité 1 A si une charge de 1 C traverse la section du fil en 1 seconde.
Plus l’intensité est élevée, plus l’énergie transportée par le courant est élevée, et plus les effets du courants sont donc importants : échauffement plus important, davantage de réactions chimiques par unité de temps, champ magnétique plus fort, effet lumineux plus important.
Les générateurs de tension continue ont un pôle positif fixe et un pôle négatif fixe. Exemple : pile ou accumulateur. Par définition le courant électrique sort du pôle positif et circule vers le pôle négatif par lequel il entre. Or, si le courant est dû à des électrons (de charge négative), les électrons sortent du générateur par le pôle négatif et rentrent par le pôle positif. Un tel courant est continu car il circule toujours dans le même sens.
Les générateurs de tension alternative changent constamment de polarité. Cela veut dire que le courant circule tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre sens. Le courant est alternatif.
Un champ magnétique est une région de l’espace dans laquelle des actions magnétiques peuvent être mises en évidence. Ces actions magnétiques sont des forces s’exerçant sur des aimants, des courants électriques ou bien des particules électriquement chargées en mouvement. (En fait, des particules chargées en mouvement sont équivalents à un courant électrique.)
Or, de telles forces sont exercées par les aimants et les courants placés à proximité. Les régions de l’espace entourant les aimants et les courants électriques sont donc des champs magnétiques.
Autour de notre planète Terre règne également un champ magnétique. Il est dû au mouvement des matières fluides à l’intérieur de la Terre, contenant des particules chargées.
Un champ magnétique peut être plus ou moins intense selon l’effet qu’il produit. Son intensité est exprimée en teslas (T). Le champ créé par un aimant ordinaire se situe à environ 10-3 T. Le champ terrestre vaut en moyenne 5∙10-5 T à proximité de la Terre. Un champ de même intensité règne à 4 mm d’un fil parcouru par un courant de 1 A. Pour obtenir un champ plus fort, il faut disposer un grand nombre de fils parcourus chacun par un fort courant.
Les électroaimants créent ainsi un champ magnétique plus ou moins puissant grâce à des bobines à un grand nombre de spires. Ces bobines comportent en plus un noyau de fer (fermé) qu’s’aimante dans le champ de la bobine renforçant celui-ci.
