Contrairement aux résistances, qui dissipent de l’énergie sous forme de chaleur, les ultracondensateurs idéaux ne perdent pas leur énergie. Nous avons également vu que la forme la plus simple d’un condensateur est constituée de deux plaques métalliques conductrices parallèles, séparées par un matériau isolant tel que l’air, la mica, le papier, la céramique, etc., et appelées diélectrique, par une distance “d”.

Les condensateurs stockent de l’énergie grâce à leur capacité à stocker une charge, la quantité de charge stockée dans un condensateur dépendant de la tension, V, appliquée à ses plaques. Plus la tension est grande, plus la charge stockée par le condensateur sera importante : Q ∞ V.

Un typique
Ultracondensateur

Un condensateur a une constante de proportionnalité, appelée capacité, symbole C, qui représente la capacité du condensateur à stocker une charge électrique, la quantité de charge dépendant de la valeur de la capacité du condensateur : Q ∞ C.

Nous pouvons alors voir qu’il existe une relation entre la charge, Q, la tension V et la capacité C, et plus la capacité est grande, plus la quantité de charge stockée dans un condensateur pour la même tension est élevée. Nous pouvons définir cette relation pour un condensateur comme étant :

Charge d’un condensateur

Où : Q (Charge, en coulombs) = C (Capacité, en farads) fois V (Tension, en volts)

L’unité de capacité est le coulomb/volt, également appelé farad (F) [nommé d’après M. Faraday], un farad étant défini comme la capacité d’un condensateur nécessitant une charge de 1 coulomb pour établir une différence de potentiel de 1 volt entre ses deux plaques.

Cependant, un condensateur conventionnel d’un farad serait très grand pour la plupart des applications électroniques pratiques, d’où l’utilisation d’unités beaucoup plus petites comme le microfarad (μF), le nanofarad (nF) et le picofarad (pF) où :

• Microfarad  (μF)   1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10^-6 F
• Nanofarad  (nF)   1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-9 F
• Picofarad  (pF)   1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

Cependant, il existe un autre type de condensateur, appelé ultracondensateur ou supercapaciteur, qui peut fournir des valeurs allant de quelques milli-farads (mF) à des dizaines de farads de capacité dans une taille très compacte, permettant de stocker beaucoup plus d’énergie électrique entre ses plaques.

Dans notre tutoriel sur la capacité et la charge, nous avons vu que l’énergie stockée dans un condensateur est donnée par l’équation :

Où : E est l’énergie stockée dans le champ électrique en joules, V est la différence de potentiel entre les plaques et C est la capacité du condensateur en farads.

Ultracondensateurs sont un autre type de condensateur construit pour avoir une grande surface des plaques conductrices, appelées électrodes, ainsi qu’une très petite distance (d) entre elles. Contrairement aux condensateurs conventionnels qui utilisent un matériau diélectrique solide et sec tel que le téflon, le polyéthylène ou le papier, l’ultracondensateur utilise un électrolyte liquide ou humide entre ses électrodes, le rendant plus semblable à un dispositif électrochimique similaire à un condensateur électrolytique.

Bien qu’un ultracondensateur soit un type de dispositif électrochimique, aucune réaction chimique n’est impliquée dans le stockage de son énergie électrique. Cela signifie que l’ultracondensateur reste effectivement un dispositif électrostatique stockant son énergie électrique sous forme de champ électrique entre ses deux électrodes conductrices.

Construction d’un Ultracondensateur

Les électrodes recouvertes des deux côtés sont fabriquées en carbone graphite sous forme de carbone activé conducteur, de nanotubes de carbone ou de gels de carbone. Une membrane en papier poreux appelée séparateur maintient les électrodes à distance tout en permettant aux ions positifs de passer tout en bloquant les électrons plus gros. Le séparateur en papier et les électrodes en carbone sont tous deux imprégnés de l’électrolyte liquide, avec une feuille d’aluminium utilisée entre les deux pour collecter le courant et établir une connexion électrique aux bornes de soudure des ultracondensateurs.

La construction en double couche des électrodes en carbone et du séparateur peut être très mince, mais leur surface effective peut atteindre des milliers de mètres carrés lorsqu’elles sont enroulées ensemble. Pour augmenter la capacité d’un ultracondensateur, il est évident qu’il faut accroître la surface de contact, A (en m²), sans augmenter la taille physique des condensateurs, ou utiliser un type spécial d’électrolyte pour augmenter les ions positifs disponibles afin d’augmenter la conductivité.

Les ultracondensateurs constituent d’excellents dispositifs de stockage d’énergie en raison de leurs valeurs de capacité élevées allant jusqu’à des centaines de farads, grâce à la très petite distance d ou séparation de leurs plaques et à la grande surface A des électrodes pour la formation d’une couche d’ions électrolytiques. Cette construction crée effectivement deux condensateurs, un à chaque électrode en carbone, donnant à l’ultracondensateur le second nom de “condensateur à double couche”, formant ainsi deux condensateurs en série.

Cependant, le problème avec cette petite taille est que la tension à travers le condensateur ne peut être que très faible, car la tension nominale de la cellule ultracondensateur est principalement déterminée par la tension de décomposition de l’électrolyte. Ainsi, une cellule de condensateur typique a une tension de fonctionnement comprise entre 1 et 3 volts, selon l’électrolyte utilisé, ce qui peut limiter la quantité d’énergie électrique qu’elle peut stocker.

Pour stocker de la charge à une tension raisonnable, les ultracondensateurs doivent être connectés en série. Contrairement aux condensateurs électrolytiques et électrostatiques, les ultracondensateurs se caractérisent par leur faible tension de sortie. Pour augmenter leur tension de sortie nominale à des dizaines de volts, les cellules ultracondensateurs doivent être connectées en série ou en parallèle pour atteindre des valeurs de capacité plus élevées.

Augmentation de la capacité d’un Ultracondensateur

Où : V_CELL est la tension d’une cellule, et C_CELL est la capacité d’une cellule.

Étant donné que la tension de chaque cellule condensateur est d’environ 3.0 volts, la connexion de plusieurs cellules de condensateurs ensemble en série augmentera la tension. En revanche, la connexion de plusieurs cellules de condensateurs en parallèle augmentera leur capacité. Nous pouvons alors définir la tension totale et la capacité totale d’un banc d’ultracondensateurs comme suit :

Où : M est le nombre de colonnes et N est le nombre de rangées. Notez également que, comme pour les batteries, les ultracondensateurs et supercapaciteurs ont une polarité définie avec la borne positive marquée sur le corps du condensateur.

Exemple d’Ultracondensateur n°1

Un ultracondensateur de 5,5 volts et 1,5 farad est requis comme dispositif de stockage d’énergie de secours pour un circuit électronique. Si l’ultracondensateur doit être fabriqué à partir de cellules individuelles de 2,75V et 0,5F, calculez le nombre de cellules nécessaires et la disposition du réseau.

Le réseau aura donc deux cellules de condensateurs de 2,75V chacune connectées en série pour fournir les 5,5V requis.

Ensuite, le réseau aura un total de six colonnes individuelles, consistant en deux rangées de six, formant ainsi un ultracondensateur avec un réseau de 6 x 2 comme illustré.

Réseau Ultracondensateur 6×2

Énergie d’un Ultracondensateur

Comme tous les condensateurs, un ultracondensateur est un dispositif de stockage d’énergie. L’énergie électrique est stockée sous forme de charge dans le champ électrique entre ses plaques, et en conséquence, une différence de potentiel, c’est-à-dire une tension, existe entre les deux plaques. Lors de la charge (courant circulant à travers l’ultracondensateur à partir de l’alimentation connectée), l’énergie électrique est stockée entre ses plaques.

Une fois que l’ultracondensateur est chargé, le courant cesse de circuler à partir de l’alimentation, et la tension de l’ultracondensateur est égale à la tension de l’alimentation. Ainsi, un ultracondensateur chargé stockera cette énergie électrique même lorsqu’il sera déconnecté de l’alimentation jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire, agissant comme un dispositif de stockage d’énergie.

Lors du déchargement (courant circulant vers l’extérieur), l’ultracondensateur convertit cette énergie stockée en énergie électrique pour alimenter la charge connectée. Ainsi, un ultracondensateur ne consomme pas d’énergie lui-même, mais au contraire stocke et libère de l’énergie électrique au besoin, la quantité d’énergie stockée dans l’ultracondensateur étant proportionnelle à la valeur de capacité du condensateur.

Comme mentionné précédemment, la quantité d’énergie stockée est proportionnelle à la capacité C et au carré de la tension V à travers ses bornes, donnant :

Où : E est l’énergie stockée en joules. Pour notre exemple d’ultracondensateur ci-dessus, la quantité d’énergie stockée par le réseau est donnée par :

La quantité maximale d’énergie qui peut être stockée par notre ultracondensateur est de 22,7 joules, fournie à l’origine par l’alimentation de charge de 5,5 volts. Cette énergie stockée reste disponible sous forme de charge dans le diélectrique électrolytique, et lorsqu’elle est connectée à une charge, l’intégralité des 22,69 joules d’énergie de l’ultracondensateur est mise à disposition sous forme de courant électrique. Évidemment, lorsque l’ultracondensateur est complètement déchargé, l’énergie stockée est nulle.

Nous pouvons donc voir qu’un ultracondensateur idéal ne consommerait ni ne dissiperait d’énergie, mais tirerait plutôt de l’énergie d’un circuit de charge externe pour stocker de l’énergie dans son champ électrolytique, puis restituerait cette énergie stockée lors de la fourniture d’énergie à une charge.

Dans notre simple exemple ci-dessus, l’énergie stockée par l’ultracondensateur était d’environ 23 joules, mais avec de grandes valeurs de capacité et des tensions plus élevées, la densité d’énergie des ultracondensateurs peut être très importante, ce qui en fait des dispositifs de stockage d’énergie idéaux.

En fait, des ultracondensateurs ayant des valeurs allant jusqu’à des milliers de farads et des centaines de volts sont désormais utilisés dans les véhicules hybrides électriques (y compris en Formule 1) en tant que dispositifs de stockage d’énergie à l’état solide pour les systèmes de freinage régénératif, car ils peuvent rapidement donner et recevoir de l’énergie pendant le freinage et l’accélération. Les ultracondensateurs et supercapaciteurs sont également utilisés dans les systèmes d’énergie renouvelable pour remplacer les batteries au plomb-acide.

Résumé des Ultracondensateurs

Nous avons vu qu’un ultracondensateur est un dispositif électrochimique composé de deux électrodes poreuses, généralement en carbone activé immergé dans une solution électrolytique qui stocke la charge électrostatiquement. Cet arrangement crée effectivement deux condensateurs, l’un à chaque électrode en carbone, connectés en série.

Les ultracondensateurs sont disponibles avec des capacités atteignant des centaines de farads, le tout dans une taille physique très réduite, et peuvent atteindre des densités de puissance beaucoup plus élevées que les batteries. Cependant, la tension nominale d’un ultracondensateur est généralement inférieure à environ 3 volts, donc plusieurs condensateurs doivent être connectés en série et en parallèle pour fournir une tension utile.

Les ultracondensateurs peuvent être utilisés comme dispositifs de stockage d’énergie similaires à ceux des batteries, et en fait, ils sont classés comme une batterie à ultracondensateurs. Mais contrairement à une batterie, les ultracondensateurs peuvent atteindre des densités de puissance beaucoup plus élevées sur une durée plus courte.

De plus, les ultracondensateurs sont désormais utilisés dans de nombreux véhicules hybrides à essence ainsi que dans des véhicules électriques alimentés par des piles à hydrogène en raison de leur capacité à décharger rapidement de hautes tensions, puis à être rechargés à nouveau pour le prochain cycle.

En combinant les ultracondensateurs avec des piles à hydrogène conventionnelles et des batteries automobiles, la demande de puissance maximale et les variations transitoires des conditions de charge peuvent être contrôlées de manière beaucoup plus efficace.