Electronique - Les condensateurs à double couche électrochimique

[ GUIDE D'ACHAT ]
Les condensateurs à double couche électrochimique
Technologie incontournable pour disposer d'une capacité de quelques millifarads à 5 000 F, le supercondensateur à double couche électrochimique s'impose comme palliatif des faibles performances dynamiques des batteries.

Jean-Florent Helie , Electronique Mensuel, le 15/12/2004 à 07h00

écrire à l'auteur de l'article		imprimer l'article

envoyer par mail		télécharger le PDF de l'article

	Sommaire du dossier
	Les condensateurs à double couche électrochimique
	Bien spécifier son besoin

Téléchargez l'intégralité de l'article en PDF : cliquez ici.

Qu'il soit de filtrage, de découplage ou de liaison, la propriété principale d'un condensateur est de stocker de l'énergie et, encore mieux, de la restituer rapidement. Les faibles capacités disponibles sous les tensions usuelles ne lui permettent cependant pas d'assurer l'alimentation d'un système électronique dans la durée. Pour cet usage, les batteries conservent l'avantage de la densité d'énergie. La fonction de source d'énergie du condensateur reste donc cantonnée à des durées très limitées. De fait, utilisé en conversion d'énergie, il fera office de réservoir d'échange temporaire. Même si le remplacement des batteries est réalisable pour certaines applications, les condensateurs de forte capacité présentés ici sont davantage destinés à être associés aux accumulateurs et piles à combustibles dans le domaine des transports. Parallèlement, les supercondensateurs traditionnellement mis en oeuvre pour la sauvegarde de mémoire sont offerts dans des formats adaptés à un grand nombre d'applications. En outre, leur faible tension de service n'est pas toujours un handicap pour assurer, dans un encombrement minimal, la fonction de découplage de circuits intégrés ou actionneurs drainant des pics de courant de plusieurs ampères.

Le principe du supercondensateur, ou EDLC pour « Electro-chemical double layer capacitor » , repose sur une distance minimale entre les surfaces chargées en regard. Ici, les deux électrodes sont directement au contact d'un électrolyte. De ce fait, le diélectrique est on ne peut plus mince car constitué par la limite de phase entre l'électrode et l'électrolyte. Par conséquent, un condensateur de type EDLC est finalement constitué de deux capacités en série, séparées par la résistance de l'électrolyte et du séparateur d'électrodes, conducteur ionique.

Ce principe interdit les tensions de service trop élevées, sous peine d'assister à l'électrolyse d'un électrolyte aqueux. Les électrolytes organiques sont utilisés pour porter la tension à 2,3 V voire plus. La capacité finalement obtenue est maximisée par l'emploi de matériaux d'électrode offrant une surface spécifique importante, soit couramment des fibres ou un aérogel de carbone. Les électrodes en carbone activé présentent une surface et donc une capacité spécifique aux alentours de 2 000 m ² par gramme.

La constante diélectrique de la double couche formée, ainsi que son épaisseur restent peu maîtrisées. L'épaisseur de quelques fractions de nanomètres en présence d'électrolytes liquides résulte en une capacité spécifique de l'électrode de 150 à 300 F par gramme de matériau. Une valeur rarement obtenue en pratique, car de nombreux pores de l'électrode restent hors de portée des ions, et ne contribuent pas à la surface de la double couche. Il n'est donc pas surprenant que les nanotechnologies du carbone trouvent un terrain d'application avec ce type de composants, notamment dans le secteur des nanotubes qui favoriseront le contrôle du transport de charges.

En attendant, certains tels Cooper Bussmann explorent la voie des aérogels de carbone qui laissent une bonne maîtrise de la porosité et de la surface spécifique. Par ailleurs, d'autres s'orientent dans le champ des pseudo-condensateurs, basés sur le même principe mais utilisant des oxydes métalliques et des techniques polymère. La double couche électrochimique est alors le lieu de réactions faradiques entre électrodes et électrolyte. Ces transferts de charge dépendant de la tension donnent naissance à une capacité non constante, fonction de la tension appliquée. La densité d'énergie stockée est alors moins assujettie à la surface spécifique de l'électrode. Ainsi, le coréen NessCap présente sa série PSHLR, qui offre une densité d'énergie de 5,2 Wh/kg et 8,6 Wh/l pour le modèle 120F/2,3 V, contre respectivement 3,92 et 5,16 pour le modèle équivalent de la série ESLSR. La durée de vie passerait en revanche de 500 000 à 100 000 cycles : cette technologie parfois nommée « redox » se rapproche de celle des accumulateurs. Elle en retire avantages et inconvénients.

Le remplaçant des accumulateurs ?
Alors que le supercondensateur est parfois présenté comme un remplaçant des batteries, la puissance instantanée importante qu'il supporte, ainsi que sa durée de vie de plusieurs centaines de milliers de cycles le place d'ores et déjà favori dans les applications pour lesquelles l'accumulateur reste inefficace. Dans le secteur du transport, il assure le rôle de réservoir lors des phases de récupération d'énergie (freinage), et pourrait permettre des modes de transport en commun par « sauts de puce » : le tramway ponctionnerait à chaque station l'énergie nécessaire pour atteindre l'arrêt suivant.

Les moteurs électromagnétiques linéaires, par exemple, ne peuvent actuellement prétendre au remplacement des systèmes hydrauliques de forte puissance, à moins d'une utilisation avec récupération d'énergie. Un tel mode de fonctionnement est envisageable dans un système de suspension active basé sur ces actionneurs semblables à des moteurs de haut-parleur électrodynamique. Mais pour développer une puissance crête de 50 kW afin de soulever le châssis du véhicule (*), il est délicat de se reposer sur le seul couple batterie-alternateur du véhicule. On envisage alors difficilement de se passer de condensateurs de très forte capacité. De même, l'alterno-démarreur autorisant l'arrêt temporaire du moteur au feu rouge (système « stop and go » ), se passe pour l'instant de super-condensateurs car il concerne des véhicules de petite cylindrée, mais cela ne devrait pas durer. Reste que, pour toutes ces applications, la faible tension de service des supercondensateurs impose leur utilisation en série. La capacité est alors réduite mais l'énergie stockée est additive. Les principaux fournisseurs de supercondensateurs de forte puissance proposent donc des assemblages sous forme de modules haute tension : 14 à 75 V chez Epcos, ou jusqu'à 340 V chez NessCap.

Nous n'avons pas détaillé ces offres dans ce « Dossier » car, hormis quelques applications standard auxquelles répondront ces fournisseurs (comme offrir le maximum de capacité dans l'encombrement d'une batterie 14 V ou 42 V pour l'automobile), chacun est susceptible de définir son propre cahier des charges pour ce type d'assemblage. Comme dans le cas d'une batterie d'accumulateurs, la performance et la durée de vie de l'ensemble seront malgré tout dépendantes de la gestion thermique et de l'équilibrage des cellules, aussi la conception d'un module gagnera-t-elle à être confiée au spécialiste fournisseur des éléments. Ces derniers proposent au passage des techniques d'équilibrage actif, permettant d'éviter qu'une cellule de la chaîne ne se charge au-delà de sa tension nominale et n'entraîne une dérive fatale des caractéristiques du module.

Le supercondensateur pourra également être utilisé comme réservoir de découplage local, par exemple au niveau d'un moteur lève-vitre : en répondant à la plus grosse partie de l'appel de courant, il permet de réduire la section du câblage tout en diminuant la pollution électromagnétique. C'est dans un esprit similaire que certains modèles ultraminces ont été développés, pour pouvoir s'intégrer dans un système au format PC Card : la norme n'autorisant que des appels de courant de 1 A, il est délicat de concevoir des modems GSM performants dans ce format, alors que l'amplificateur impose des pics de 2 A pendant 500 µs, toutes les 4 ms. Un supercondensateur correctement dimensionné permettra de lisser le courant pris sur le bus PCMCIA et de fournir l'intensité nécessaire au modem. De même, il est pratiquement impossible de faire fonctionner un GSM à partir de piles primaires alcalines qui présentent une résistance interne trop élevée. L'emploi d'une forte capacité pourra pallier cet inconvénient. Dès qu'il s'agit de répondre à des pics de courant, la résistance série est souvent primordiale, car elle provoque une chute de tension immédiate qu'une capacité plus importante ne saurait compenser. De plus, le rapport cyclique des impulsions ne peut être trop élevé, il sera de préférence inférieur à 20 % : il faut bien que le condensateur se recharge entre deux pics.

Un couple idéal
Les accumulateurs et piles primaires supportent mal les décharges profondes et les sollicitations répétées à fort courant. Ce n'est pas le cas des condensateurs qui sont de ce fait de plus en plus appréciés dans le secteur du jouet électrique : la charge rapide très adaptée à la patience limitée de l'enfant reste sûre et ne demande pas d'électronique sophistiquée. La tension réduite n'est pas forcément restrictive si l'on accepte une diminution de la durée de vie : de 1 million à 10 000 cycles, totalement suffisants pour animer une petite voiture électrique sous 4,5 V au lieu de 2,5 V. Pour un tel usage, le courant de fuite importe peu et on pourra réaliser des modules série avec équilibrage passif (pont résistif).

Par ailleurs, alors que la pile se décharge à tension pratiquement constante, le condensateur obéit à la loi:i =C.du/dt signifiant qu'à courant constant, la tension décroît linéairement. De ce fait, la capacité n'est jamais entièrement exploitée si le supercondensateur est la seule source d'énergie. Les circuits intégrés qui apprécient les tensions d'alimentation bien régulées n'ont que peu d'intérêt à s'alimenter exclusivement sur un supercondensateur, si l'on doit y associer un convertisseur élévateur-abaisseur au rendement discutable. Dans les applications de faible puissance sur des durées idéalement les plus longues possibles, le supercondensateur n'aura donc jamais l'avantage sur la batterie si ce n'est celui de la durée de vie. Il sera donc utilisé au mieux en association : en répondant aux sollicitations ponctuelles, la puissance nominale de la batterie peut être revue à la baisse et sa décharge sera optimisée (figure).

Pour toutes ces applications, Epcos et Maxwell présentent des petits composants jusqu'à 10 F, au facteur de forme compatible. AVX, Cooper ou Nec offrent, eux, des cellules prismatiques ultraminces dans la gamme du millifarad, déjà aptes au découplage ou à la préservation des batteries.

Mis à part les produits cylindriques ou prismatiques, de la taille d'une boîte de soda ou de lait offrant des capacités de plusieurs centaines voire milliers de farads chez Epcos, Maxwell ou NessCap, de nombreux produits se présentent sous une forme similaire à une pile « bouton » voire en empilage de deux ou trois de ces cellules. De faible capacité, avec une résistance série relativement importante (plusieurs dizaines d'ohms), elles serviront à la sauvegarde de mémoire pour des automates ou à l'alimentation provisoire d'horloges temps réel. Les capacités intermédiaires se présentent sous la forme classique des condensateurs électrolytiques radiaux, avec des résistances plus faibles, soit pour le découplage d'alimentations, soit pour la sauvegarde de fonctionnement (mise en veille « propre » d'un système lors d'une coupure d'alimentation).

Pour finir, on évoquera l'utilisation de supercondensateurs, en complément ou remplacement des batteries derrière les piles à combustibles ou cellules solaires aux performances transitoires très limitées, ou encore dans les installations éoliennes. D'une manière générale, leur endurance face aux températures extrêmes les qualifie pour les applications à haute disponibilité où les batteries, contraignantes à entretenir et parfois inefficaces, ne peuvent suffire à garantir une fiabilité absolue.

(*) Système Bose présenté par notre confrère Electronique International Hebdo - n° 574 du 14 octobre 2004, p. 37.