Par Jeremy Cook
La transition vers des sources d’énergie renouvelables telles que le solaire et l’éolien nécessite de nouvelles méthodes de stockage de l’énergie. Les nuages peuvent masquer le soleil pendant plusieurs jours, et l’énergie solaire est totalement indisponible la nuit ; le vent peut être encore plus capricieux. Le stockage nous permet de combler les inévitables déficits de production et de couvrir les hausses localisées de la consommation d’électricité.
Les batteries lithium-ion actuelles sont incroyables, mais elles ne peuvent se charger et se décharger qu’à une certaine vitesse et leur durée de vie est limitée. En outre, l’extraction du lithium de la terre est compliquée et a ses propres incidences sur l’environnement. Aujourd’hui, les États-Unis produisent moins de 1 % du lithium mondial, ce qui en fait un goulot d’étranglement potentiel pour la production.
Les supercondensateurs, qui peuvent se charger et se décharger à un rythme beaucoup plus rapide et à une plus grande fréquence que les batteries lithium-ion, sont désormais utilisés pour augmenter le stockage actuel des batteries afin d’obtenir des entrées et des sorties d’énergie rapides. La technologie des batteries au graphène - ou des supercondensateurs à base de graphène - pourrait remplacer les batteries au lithium dans certaines applications.
Puissance instantanée et fourniture d’énergie à long terme
Le grand avantage des supercondensateurs est leur capacité de puissance élevée. L’inconvénient est une faible densité énergétique totale. Ces propriétés peuvent sembler contradictoires, mais considérez la définition de ces deux termes :
Puissance = travail/temps, exprimée en unités SI en joules/seconde
Densité énergétique = énergie stockée/volume, exprimée en unités SI sous forme de joules/m^3
Bien que l’unité du numérateur soit la même, il s’agit de deux quantités distinctes. La puissance est la capacité à libérer une quantité d’énergie pendant une période donnée, tandis que la densité énergétique est la capacité à stocker une quantité spécifique d’énergie, quelle que soit la période.
L’idéal serait d’obtenir des valeurs élevées pour les deux, mais les supercondensateurs ont généralement une capacité de décharge élevée et une faible densité énergétique. Par conséquent, bien qu’un supercondensateur puisse produire une énorme quantité d’énergie pendant un instant, il ne peut pas maintenir cette production d’énergie (ou un taux inférieur) aussi longtemps qu’une batterie lithium-ion comparable. Les applications actuelles utilisent souvent un supercondensateur pour équilibrer les apports ou les dépenses d’énergie massifs (par exemple, freinage régénératif et accélération rapide), tandis que les besoins en énergie à plus long terme sont pris en charge par des batteries.
Le défi consiste à augmenter la densité énergétique des supercondensateurs tout en maintenant une excellente capacité de puissance instantanée. La réponse se présente sous la forme d’un matériau miracle, le graphène.
Le stockage d’énergie au graphène est-il l’avenir ?
Les supercondensateurs utilisent généralement des couches anodiques et cathodiques constituées de feuilles métalliques recouvertes de charbon actif et séparées par une membrane semi-perméable contenant une solution électrolytique. Les couches de ce sandwich carbone/membrane sont roulées ou empilées dans un boîtier de condensateur, ce qui leur permet de stocker des charges grâce au mouvement des ions dans l’électrolyte.
Attribution : Par Tosaka - Travail personnel, CC BY 3.0 | Construction schématique d’un supercondensateur à électrodes empilées 1. électrode positive, 2. électrode négative, 3. séparateur
Le charbon actif peut être rendu très fin dans ce rôle, de l’ordre de 1/10 mm d’épaisseur, mais il a une surface élevée : plusieurs centimètres carrés pour chaque particule de 0,1 mm. Le graphène, quant à lui, se présente sous la forme de feuilles de molécules 2D d’un atome d’épaisseur, dont la surface spécifique est similaire à celle du charbon actif. Il peut être étalé en une couche extrêmement fine pour obtenir une disposition ultra-dense des conducteurs. Le graphène est un excellent conducteur, ce qui signifie une perte de chaleur minimale et un rendement énergétique hypothétiquement meilleur que celui des supercondensateurs au charbon actif.
Le problème est de fabriquer des condensateurs au graphène à grande échelle. Compte tenu des promesses du graphène, les chercheurs travaillent sur ce type de mise en œuvre à huis clos. Bien que le graphène ne puisse pas éliminer complètement les batteries lithium-ion, les améliorations apportées aux supercondensateurs grâce au graphène pourraient permettre à ce dispositif de stockage d’énergie de devenir plus dense et plus efficace.
Autres options de stockage avancées... encore du carbone ?
Le graphène n’est pas la seule option de stockage avancée en cours de développement. L’utilisation de nanotubes de carbone - une autre disposition du carbone en longues molécules tubulaires, par opposition aux feuilles de graphène - a également été proposée pour le stockage de l’énergie. Les boules de graphène et le graphène courbé/croisé sont d’autres possibilités de stockage d’énergie à base de carbone.
Gérer l’alimentation
Si la capacité de fournir une puissance massive est une bonne chose, elle doit être contrôlée pour être utilisée correctement. Les transistors SiC peuvent être utilisés dans ce rôle. Parallèlement, des technologies de mesure du courant doivent être mises en œuvre pour garantir une application correcte de la puissance et de l’énergie.
Il est intéressant de noter que la production avancée de carbone sous ses différentes formes et de silicium (et la combinaison des deux) semble être la vague de l’avenir pour le traitement de l’énergie. La difficulté aujourd’hui est de prendre des idées qui fonctionnent en théorie et/ou à petite échelle et de les transformer en produits quotidiens qui améliorent notre vie. Une fois ces techniques perfectionnées et mises en œuvre, nous pouvons envisager un avenir plus économe en énergie avec des appareils encore plus performants.
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