La technologie du condensateur s'étend au-delà de la carte de circuit imprimé, à mesure que la demande augmente pour une nouvelle génération de supercondensateurs capables de réaliser des applications de stockage énergétique, en ajoutant ou même en remplaçant les batteries dans les applications parmi lesquelles le stockage de données, les appareils portables, les voitures électriques et les réseaux intelligents.
Le marché des supercondensateurs, également appelés supercondos, devrait plus que doubler pour passer de 466 millions de dollars en 2013 à 836 millions de dollars en 2018, selon Lux Research.
Les condensateurs traditionnels sont omniprésents dans les systèmes électroniques actuels, avec des milliards d'unités expédiées chaque année dans presque chaque marché de produits et d'applications, des ordinateurs aux combinés sans fil, en passant par les télévisions et les voitures. Largement utilisés pour régler la puissance, les condensateurs maintiennent des charges électriques en utilisant des paires de conducteurs séparées par un isolant.
Bien que parfois comparés aux batteries, les condensateurs et les batteries présentent des différences de base en matière de composition et de performances qui rendent chaque type d'appareil adapté à différents usages. Les condensateurs sont des composants passifs, qui collectent des charges électriques provenant de circuits, les stockent pendant une courte durée, puis les libèrent toutes en même temps. En revanche, les batteries servent de source d'énergie pour les systèmes électroniques. Les batteries stockent de l'énergie électrique dans des cellules électrochimiques. Elles peuvent transporter des charges électriques en grande quantité pendant de longues périodes et les libérer lentement.
Condensateurs améliorés
Pourtant, l'arrivée des nouveaux types de supercondensateurs brouille la distinction entre les technologies de condensateur et de batterie.
Les supercondensateurs peuvent stocker jusqu'à 100 fois plus d'énergie par volume unitaire que les condensateurs électrolytiques. Ils peuvent également se charger et se décharger beaucoup plus rapidement que les batteries. De plus, les supercondensateurs peuvent supporter beaucoup plus de cycles de chargement et de déchargement que les batteries traditionnelles.
D'autres avantages des supercondensateurs incluent une meilleure densité de puissance, des capacités de distribution supérieures de la puissance de crête, une taille plus petite ainsi qu'une résistance de série équivalente (ESR) plus faible. Enfin, les supercondensateurs ont la possibilité de libérer leurs charges lentement, comme les batteries traditionnelles.
Les supercondensateurs actuels sont fabriqués à base de carbone actif. Pourtant, les chercheurs étudient des matériaux capables d'offrir de meilleures performances, comme le graphène et le carbone nanostructuré. Les scientifiques développent également des appareils qui associent les caractéristiques et la technologie des supercondensateurs et des batteries.
Les supercondos au secours des données
Les supercondensateurs remplacent les batteries dans des applications dans lesquelles des niveaux supérieurs de puissance sont nécessaires pendant de courtes périodes. L'énergie de secours pour le stockage de données constitue un bel exemple. Cette application exploite les atouts des supercondensateurs, en exigeant des niveaux moyens ou élevés de courant pendant de courtes durées.
Les produits spécifiques incluent des disques SSD et des systèmes RAID (Redundant Array of Independent Disks). Les systèmes RAID sont conçus pour protéger les données dans l'adversité, comme les pannes de courant. Une interruption du flux d'électricité peut entraîner la perte des informations stockées dans la mémoire volatile.
Les avancées en matière de mémoire ont permis de remplacer les batteries par des supercondensateurs dans les applications d'énergie de secours RAID. Pour aider les ingénieurs à développer des systèmes de secours RAID, Linear Technology Corp. propose un ensemble de puces pouvant être utilisées avec un supercondensateur pour implémenter un système de secours RAID. La solution de Linear Technology consiste en son chargeur de supercondensateur LTC®3625, son contrôleur LTC4412 PowerPath™ et son convertisseur CC/CC LTM®4616 à sortie double μModule®.
des condensateurs de hub au supercondos
Le graphène permet la création de nouveaux types de supercondensateurs adaptés aux véhicules électriques.
Le Gwangju Institute of Science and Technology en Corée du Sud a annoncé avoir construit des supercondensateurs à base de graphène qui stockent presque autant d'électricité que des batteries lithium-ion, mais qui se chargent en seulement 16 secondes. Ce type de performances est utile pour récupérer l'énergie utilisée lors d'un freinage, ce qui nécessite un chargement rapide.
Solution de réseau
La technologie émergente des supercondensateurs pourrait également être appliquée au stockage pour de nouveaux réseaux électriques intelligents.
La production électrique des énergies solaire et éolienne augmente rapidement. Pourtant, la nature imprévisible de ce type de production électrique entrave l'adoption à plus grande échelle de ces énergies renouvelables. L'énergie solaire génère uniquement de l'électricité lorsque le soleil brille et l'énergie éolienne exclusivement lorsque le vent souffle.
Le stockage basé sur le réseau peut résoudre ce problème en emmagasinant les énergies renouvelables pour une utilisation ultérieure. Pourtant, les batteries et supercondensateurs traditionnels sont limités en termes de capacité et de vitesse de chargement.
Des chercheurs du College of Engineering de l'Université Drexel ont essayé de résoudre ce problème avec le développement d'une technologie qui associe des éléments de batteries et de supercondensateurs.
Le condensateur électrochimique (EFC) de Drexel consiste en une cellule électrochimique connectée à deux réservoirs électrolytiques externes, une conception semblable au type de batteries à flux utilisées sur les véhicules électriques.
La conception de l'EFC lui permet d'être construit sur une échelle suffisamment grande pour stocker de large quantité d'énergie, comme une batterie. Dans le même temps, cela permet un retrait rapide de l'énergie lorsque la demande l'exige, comme un supercondensateur.
Les développements importants dans les microcondensateurs
Le California NanoSystems Institute de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) a annoncé avoir développé un supercondensateur hybride qui présente les caractéristiques des batteries et des supercondensateurs. Le nouveau supercondensateur hybride stocke de grandes quantités d'énergie, se recharge rapidement et tient plus de 10 000 cycles de rechargement, selon l'UCLA. L'UCLA a également annoncé une version micro-supercondensateur de la technologie.
Les composants de l'UCLA associent le laser-scribed graphene (LSG) et dioxyde de manganèse. Le LSG est capable de stocker une charge électrique, est un excellent conducteur et peut se charger et se recharger rapidement. De même, le dioxyde de manganèse est le même matériau désormais utilisé dans les piles alcalines en raison de sa capacité à conserver de grandes quantités de charge électriques. Le dioxyde de manganèse est également bon marché et abondant.
Le micro-supercondensateur annoncé par l'UCLA possède un facteur forme compact adapté à une utilisation dans les appareils portables ou même implantables. Bien qu'il ne fasse qu'un cinquième de l'épaisseur d'une feuille de papier, le micro-supercondensateur peut conserver plus du double de la charge d'une batterie lithium à couche mince normale.
Capacité d'adaptation
Alors que bon nombre de ces technologies en sont au stade précoce de développement, les supercondensateurs pourraient être destinés à jouer un rôle croissant dans le stockage énergétique, en ajoutant, augmentant ou même remplaçant les batteries dans une gamme de nouvelles applications.