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Des nano-supercondensateurs pour les voitures électriques

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Sur les 43 millions de voitures sur les routes en Allemagne, seule 8000 sont électriques. Les principaux facteurs qui dissuadent les automobilistes en Allemagne de passer à des véhicules électriques sont le coût élevé, la faible autonomie et le manque de stations de recharge. Un autre obstacle majeur pour l’acceptation en masse des voitures électriques est le temps de recharge trop important. Le temps pour faire le plein d’un véhicule classique est si faible que cela rend presque la situation incomparable. Cependant, les durées de charge pourraient être considérablement raccourcies avec l’utilisation de supercondensateurs. Ce dispositif de stockage d’énergie alternatif dispose d’un temps de recharge plus court. Dans les véhicules à essence traditionnels par exemple, le freinage convertit l’énergie cinétique en chaleur qui se dissipe et est inutilisée. Par contre, la machine électrique d’un véhicule électrique est en mesure de transformer cette énergie cinétique en électricité pour un usage ultérieur. Cette électricité est souvent produite par à-coups et nécessite des dispositifs de stockage qui peuvent supporter une grande quantité d’énergie générée dans un court laps de temps. Dans cet exemple, les supercondensateurs, avec leur capacité à capter et stocker cette énergie convertie rapidement, sont particulièrement adaptés. Contrairement aux batteries qui offrent un taux de charge/décharge limité, les supercondensateurs ont besoin de quelques secondes pour se charger et peuvent approvisionner en retour les systèmes de climatisation, de désembuage, de radio, … , en énergie électrique.

Les dispositifs de stockage d’énergie rapides se distinguent par leurs caractéristiques de densité d’énergie et de puissance  – en d’autres termes, la quantité d’énergie électrique peut fournir le dispositif par rapport à sa masse et pendant une période de temps donnée. Les supercondensateurs sont connus pour posséder une densité de puissance élevée, de sorte que de grandes quantités d’énergie électrique peuvent être générées ou restituées sur une courte durée, mais au prix d’une faible densité énergétique. La quantité d’énergie pouvant être stockée dans les supercondensateurs représente environ 10% de celle des batteries électrochimiques (lorsque deux dispositifs de même poids sont comparés). C’est précisément là que réside le défi technique que le projet « Electrograph » tente de relever. Electrograph est un projet soutenu par l’UE et ce consortium se compose de dix partenaires venant d’instituts de recherche et de l’industrie. L’une des principales tâches de ce projet est de développer de nouveaux types de supercondensateurs avec une amélioration significative de la capacité de stockage de l’énergie. Le projet se rapproche de sa phase finale en juillet et le coordinateur du projet à l’Institut Fraunhofer IPA à Stuttgart, Carsten Glanz a expliqué le concept et l’approche utilisée pour pouvoir conclure : « Lors du processus de stockage, l’énergie électrique est stockée sous forme de particules chargées attachés sur le matériau d’électrode. Donc, pour stocker plus efficacement l’énergie, nous avons conçu des électrodes légères avec des surfaces utilisables plus grandes. »

Les électrodes en graphene améliorent l’efficacité énergétique

Via de nombreux tests, le chercheur et son équipe ont étudié un nanomatériau, le graphene, dont la grande surface spécifique de 2600 m²/g et une conductivité électrique élevée rendent son utilisation en tant que matériau d’électrode évidente. Il se compose d’un treillis monocouche ultra mince fait d’atomes de carbone. Lorsqu’il est utilisé comme matériau d’électrode, cela augmente considérablement la surface d’échange avec la même quantité de matériau. De ce point de vue, le graphene montre son potentiel en remplacement du carbone actif – le matériau utilisé dans les supercondensateurs à ce jour – qui a une surface spécifique comprise entre 1000 et 1800 m²/g.Les nano-supercondensateurs pour véhicules électriques

« L’espace entre les électrodes est rempli d’une électrolyte liquide, » a révélé Glanz. « Nous utilisons des liquides ioniques à cet effet. Les électrodes à base de graphene ainsi que les électrolytes ioniques liquides présentent une combinaison de matériau améliorée où nous pouvons fonctionner à des tensions plus élevées ».En disposant les couches de graphene de manière à ce qu’il existe un espace entre les différentes couches, les chercheurs ont pu établir une méthode de fabrication qui utilise efficacement la surface d’échange disponible avec ce nanomatériau. Cela permet d’éviter que les couches de graphene ne se remettent en piles et reforment du graphite, ce qui réduirait la surface d’échange et de stockage, et par conséquent la capacité de stockage d’énergie. « Nos électrodes ont déjà dépassé les électrodes disponibles dans le commerce de 75% en termes de capacité de stockage« , souligne l’ingénieur. « J’imagine que les voitures de l’avenir auront une batterie connectée à de nombreux condensateurs répartis dans le véhicule, qui fourniront de l’énergie lors des phases de forte demande de puissance (pendant l’accélération par exemple) et pour le système de climatisation. Ces condensateurs allègeront le fardeau de la batterie et couvriront les chutes de tension lors du démarrage de la voiture. En conséquence, la taille des batteries classiques pourra être réduite. »

Afin de présenter cette nouvelle technologie, le consortium Electrograph a développé un véhicule démonstrateur dont les supercondensateurs sont installés dans les rétroviseurs latéraux et rechargés par un panneau solaire dans un système énergétiquement autosuffisant. Le démonstrateur a été dévoilé à la fin du mois de mai au cours de l’atelier de diffusion au Fraunhofer IPA.

Source : Fraunhofer
L’avis de Romain :
D’après ce que je sais aujourd’hui, les supercondensateurs sont utilisés uniquement en Formule 1 et dans certains véhicules du groupe PSA. Ils ne sont, à ce jour, pas compétitifs par rapport à des batteries Li-ion. Cet institut de recherche tente de combler le fossé existant en termes d’efficacité énergétique. Je parie que dans 10-20 ans, le système électrique d’une voiture sera fait à la fois d’une batterie Li-ion pour la densité d’énergie et de supercondensateurs pour la densité de puissance, pour répondre au besoin d chaque composant (démarreur et air conditionné pour la puissance, consommateurs de bord pour l’énergie).

3 Comments

  1. Revue des sciences novembre 2014 | Jean Zin
    Revue des sciences novembre 2014 | Jean Zin11-01-2014

    […] – Des nano-supercondensateurs pour les voitures électriques […]

  2. J.T.
    J.T.07-25-2017

    Du nouveau en supercondensateurs au graphène à surface active augmentée 3D : https://www.engadget.com/2016/11/22/super-capacitor-battery-30000-cycles/

  3. J.T.
    J.T.08-11-2017

    Pour l’aspect capacité, il ne faut pas oublier que d’autres voies de recherches sont prometteuses, comme celle suisse de la batterie pile à eau salée : https://safeearthsolutions.wordpress.com/augmentation-dautonomie-des-voitures-electriques-de-deux-manieres/

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