Supercondensateur: Combler le fossé entre les batteries et les condensateurs

Par Fouad Sabry

Qu'est-ce qu'un supercondensateur

Un supercondensateur (SC), également appelé ultracondensateur, est un condensateur haute capacité qui comble l'écart entre les condensateurs électrolytiques et les batteries rechargeables. Il a une valeur de capacité nettement supérieure à celle des autres condensateurs, mais il a des limites de tension inférieures à celles des autres condensateurs. Il est capable d'absorber et de recharger beaucoup plus rapidement que les batteries, et il peut supporter beaucoup plus de cycles de charge et de décharge que les batteries rechargeables. En général, il stocke 10 à 100 fois plus d'énergie par unité de volume ou de masse que les condensateurs électrolytiques.

Comment vous en bénéficierez

(I) Insights, et validations sur les sujets suivants :

Chapitre 1 : Supercondensateur

Chapitre 2 : Batterie lithium-ion

Chapitre 3 : Batterie rechargeable

Chapitre 4 : Batterie zinc-air

Chapitre 5 : Types de condensateur

Chapitre 6 : Batterie à flux

Chapitre 7 : Condensateur

Chapitre 8 : Nanobatteries

Chapitre 9 : Nanodot

Chapitre 10 : Batterie papier

Chapitre 11 : Double couche (science des surfaces)

Chapitre 12 : Condensateur lithium-ion

Chapitre 13 : Batteries Nanoball

Chapitre 14 : Batterie lithium-air

Chapitre 15 : Carbone dérivé du carbure

Chapitre 16 : Pseudocapacité

Chapitre 17 : Batterie zinc-cérium

Chapitre 18 : Batterie aluminium-ion

Chapitre 19 : Pseudocapacité

Chapitre 20 : Capacité double couche

Chapitre 21 : Recherche sur les batteries lithium-ion

(II) Réponse les principales questions du public sur les supercondensateurs.

(III) Exemples concrets d'utilisation de supercondensateurs dans de nombreux domaines.

(IV) 17 annexes pour expliquer brièvement 266 technologies émergentes dans chaque industrie doit avoir une compréhension complète à 360 degrés des technologies des supercondensateurs.

À qui s'adresse ce livre

Professionnels, étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, passionnés, amateurs , et ceux qui veulent aller au-delà des connaissances ou des informations de base pour tout type de supercondensateur.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 18 oct. 2022

Aperçu du livre

Copyright

Supercondensateur Copyright © 2022 par Fouad Sabry. Tous droits réservés.

Tous droits réservés. Aucune partie de ce livre ne peut être reproduite sous quelque forme ou par quelque moyen électronique ou mécanique, y compris les systèmes de stockage et de récupération de l’information, sans l’autorisation écrite de l’auteur. La seule exception est faite par un examinateur, qui peut citer de courts extraits dans une critique.

Couverture dessinée par Fouad Sabry.

Ce livre est une œuvre de fiction. Les noms, les personnages, les lieux et les incidents sont soit des produits de l’imagination de l’auteur, soit utilisés de manière fictive. Toute ressemblance avec des personnes réelles, vivantes ou mortes, des événements ou des lieux est entièrement fortuite.

Bonus

Vous pouvez envoyer un e-mail à [e-mail] avec pour objet « Supercondensateur: combler le fossé entre les batteries et les condensateurs », et vous recevrez un e-mail contenant les premiers chapitres de ce livre.

Fouad Sabry

Visitez le site Web de 1BK à l’adresse

www.1BKOfficial.org

Préface

Pourquoi ai-je écrit ce livre ?

L’histoire de l’écriture de ce livre a commencé en 1989, alors que j’étais étudiant à l’école secondaire des étudiants avancés.

C’est remarquablement comme les écoles STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics), qui sont maintenant disponibles dans de nombreux pays avancés.

STEM est un programme basé sur l’idée d’éduquer les étudiants dans quatre disciplines spécifiques - science, technologie, ingénierie et mathématiques - dans une approche interdisciplinaire et appliquée. Ce terme est généralement utilisé pour désigner une politique éducative ou un choix de programme dans les écoles. Elle a des répercussions sur le perfectionnement de la main-d’œuvre, les préoccupations en matière de sécurité nationale et la politique d’immigration.

Il y avait un cours hebdomadaire dans la bibliothèque, où chaque élève est libre de choisir n’importe quel livre et de lire pendant 1 heure. L’objectif de la classe est d’encourager les élèves à lire des matières autres que le programme éducatif.

Dans la bibliothèque, alors que je regardais les livres sur les étagères, j’ai remarqué d’énormes livres, totalisant 5 000 pages en 5 parties. Le nom du livre est « L’Encyclopédie de la technologie », qui décrit tout ce qui nous entoure, duzéro absolu aux semi-conducteurs, presque toutes les technologies, à cette époque, ont été expliquées avec des illustrations colorées et des mots simples. J’ai commencé à lire l’encyclopédie, et bien sûr, je n’ai pas pu la terminer dans le cours hebdomadaire de 1 heure.

J’ai donc convaincu mon père d’acheter l’encyclopédie. Mon père m’a acheté tous les outils technologiques au début de ma vie, le premier ordinateur et la première encyclopédie technologique, et les deux ont un grand impact sur moi et ma carrière.

J’ai terminé toute l’encyclopédie pendant les mêmes vacances d’été de cette année, puis j’ai commencé à voir comment l’univers fonctionne et comment appliquer ces connaissances aux problèmes quotidiens.

Ma passion pour la technologie a commencé il y a plus de 30 ans et le voyage continue.

Ce livre fait partie de « L’Encyclopédie des technologies émergentes » qui est ma tentative de donner aux lecteurs la même expérience étonnante que j’ai eue quand j’étais au lycée, mais au lieu des technologies du 20ème siècle, je suis plus intéressé par les technologies émergentes du 21ème siècle, les applications et les solutions industrielles.

« L’Encyclopédie des technologies émergentes » sera composée de 365 livres, chaque livre sera axé sur une seule technologie émergente. Vous pouvez lire la liste des technologies émergentes et leur catégorisation par industrie dans la partie « Bientôt disponible », à la fin du livre.

365 livres pour donner aux lecteurs la possibilité d’accroître leurs connaissances sur une seule technologie émergente chaque jour au cours d’une période d’un an.

Introduction

Comment ai-je écrit ce livre ?

Dans chaque livre de « The Encyclopedia of Emerging Technologies », j’essaie d’obtenir des informations de recherche instantanées et brutes, directement de l’esprit des gens, en essayant de répondre à leurs questions sur la technologie émergente.

Il y a 3 milliards de recherches Google chaque jour, et 20% d’entre elles n’ont jamais été vues auparavant. Ils sont comme une ligne directe vers les pensées des gens.

Parfois, c’est 'Comment puis-je enlever le bourrage papier'. D’autres fois, ce sont les peurs déchirantes et les désirs secrets qu’ils n’oseraient jamais partager qu’avec Google.

Dans ma quête pour découvrir une mine d’or inexploitée d’idées de contenu sur « Supercondensateur », j’utilise de nombreux outils pour écouter les données de saisie semi-automatique des moteurs de recherche comme Google, puis je lance rapidement chaque phrase et question utile, les gens demandent autour du mot-clé « Supercondensateur ».

C’est une mine d’or de perspicacité des gens, que je peux utiliser pour créer du contenu, des produits et des services frais et ultra-utiles. Les gens gentils, comme vous, veulent vraiment.

Les recherches de personnes sont l’ensemble de données le plus important jamais collecté sur la psyché humaine. Par conséquent, ce livre est un produit en direct, et constamment mis à jour par de plus en plus de réponses à de nouvelles questions sur « Supercondensateur », posées par des gens, tout comme vous et moi, s’interrogeant sur cette nouvelle technologie émergente et aimeraient en savoir plus à ce sujet.

L’approche pour écrire ce livre est d’obtenir un niveau plus profond de compréhension de la façon dont les gens recherchent autour de « Supercondensateur », révélant des questions et des requêtes auxquelles je ne penserais pas nécessairement de mémoire, et répondant à ces questions avec des mots super faciles et digestes, et de naviguer dans le livre d’une manière simple.

Donc, quand il s’agit d’écrire ce livre, j’ai veillé à ce qu’il soit aussi optimisé et ciblé que possible. Le but de ce livre est d’aider les gens à mieux comprendre et à développer leurs connaissances sur le « Supercondensateur ». J’essaie de répondre aux questions des gens aussi fidèlement que possible et de montrer beaucoup plus.

C’est une façon fantastique et belle d’explorer les questions et les problèmes que les gens ont et d’y répondre directement, et d’ajouter de la perspicacité, de la validation et de la créativité au contenu du livre – même des pitchs et des propositions. Le livre révèle des domaines de recherche riches, moins encombrés et parfois surprenants que je n’atteindrais pas autrement. Il ne fait aucun doute qu’il devrait accroître la connaissance de l’esprit des lecteurs potentiels, après avoir lu le livre en utilisant cette approche.

J’ai appliqué une approche unique pour rendre le contenu de ce livre toujours frais. Cette approche dépend de l’écoute de l’esprit des gens, en utilisant les outils d’écoute de recherche. Cette approche m’a aidé à :

Rencontrez les lecteurs exactement là où ils se trouvent, afin que je puisse créer un contenu pertinent qui touche une corde sensible et favorise une meilleure compréhension du sujet.

Gardez le doigt sur le pouls, afin que je puisse obtenir des mises à jour lorsque les gens parlent de cette technologie émergente de nouvelles façons, et surveiller les tendances au fil du temps.

Découvrez des trésors cachés de questions ont besoin de réponses sur la technologie émergente pour découvrir des informations inattendues et des niches cachées qui renforcent la pertinence du contenu et lui donnent un avantage gagnant.

Les éléments constitutifs de la rédaction de ce livre sont les suivants :

(1) J’ai cessé de perdre du temps sur le contenu voulu par les lecteurs, j’ai rempli le contenu du livre avec ce dont les gens ont besoin et j’ai dit au revoir aux idées de contenu sans fin basées sur des spéculations.

(2) J’ai pris des décisions solides, et pris moins de risques, pour être aux premières loges de ce que les gens veulent lire et savoir – en temps réel – et utiliser les données de recherche pour prendre des décisions audacieuses, sur les sujets à inclure et les sujets à exclure.

(3) J’ai rationalisé ma production de contenu pour identifier les idées de contenu sans avoir à passer manuellement au crible les opinions individuelles pour gagner des jours et même des semaines de temps.

C’est merveilleux d’aider les gens à accroître leurs connaissances d’une manière simple en répondant simplement à leurs questions.

Je pense que l’approche de l’écriture de ce livre est unique car elle rassemble et suit les questions importantes posées par les lecteurs sur les moteurs de recherche.

Remerciements

Écrire un livre est plus difficile que je ne le pensais et plus gratifiant que je n’aurais jamais pu l’imaginer. Rien de tout cela n’aurait été possible sans le travail accompli par des chercheurs prestigieux, et je tiens à souligner leurs efforts pour accroître les connaissances du public sur cette technologie émergente.

Dédicace

Pour les éclairés, ceux qui voient les choses différemment et veulent que le monde soit meilleur, ils n’aiment pas le statu quo ou l’État existant. Vous pouvez trop être en désaccord avec eux, et vous pouvez discuter encore plus avec eux, mais vous ne pouvez pas les ignorer, et vous ne pouvez pas les sous-estimer, parce qu’ils changent toujours les choses ... Ils poussent la race humaine en avant, et tandis que certains peuvent les voir comme des fous ou des amateurs, d’autres voient du génie et des innovateurs, parce que ceux qui sont assez éclairés pour penser qu’ils peuvent changer le monde, sont ceux qui le font, et conduisent les gens à l’illumination.

Épigraphe

Un supercondensateur (SC), également connu sous le nom d’ultracondensateur, est un condensateur de grande capacité qui comble le fossé entre les condensateurs électrolytiques et les batteries rechargeables. Il a une valeur de capacité nettement supérieure à celle des autres condensateurs, mais il a des limites de tension inférieures à celles des autres condensateurs. Il est capable d’absorber et de charger beaucoup plus rapidement que les batteries  , et il peut supporter beaucoup plus de cycles de charge et de décharge que les batteries rechargeables. En général, il stocke 10 à 100 fois plus d’énergie par unité de volume ou de masse que les condensateurs électrolytiques.

Table des matières

Copyright

Bonus

Préface

Introduction

Remerciements

Dédicace

Épigraphe

Table des matières

Chapitre 1 : Supercondensateur

Chapitre 2 : Batterie lithium-ion

Chapitre 3 : Batterie rechargeable

Chapitre 4 : Batterie zinc-air

Chapitre 5 : Batterie redox au vanadium

Chapitre 6 : Types de condensateurs

Chapitre 7 : Condensateur

Chapitre 8 : Nanobatteries

Chapitre 9 : Phosphate de fer lithium

Chapitre 10 : Batterie de papier

Chapitre 11 : Double couche (science des surfaces)

Chapitre 12 : Condensateur lithium-ion

Chapitre 13 : Nanoarchitectures pour batteries lithium-ion

Chapitre 14 : Batterie lithium-air

Chapitre 15 : Carbone dérivé du carbure

Chapitre 16 : Pseudocondensateur

Chapitre 17 : Batterie au zinc-cérium

Chapitre 18 : Batterie aluminium-ion

Chapitre 19 : Pseudocapacité

Chapitre 20 : Capacité double couche

Chapitre 21 : Recherche sur les batteries lithium-ion

Épilogue

À propos de l’auteur

À venir

Annexes : Technologies émergentes dans chaque industrie

Chapitre 1 : Supercondensateur

Un supercondensateur (SC), également connu sous le nom d’ultracondensateur, est un condensateur de grande capacité qui comble le fossé entre les condensateurs électrolytiques et les batteries rechargeables. Il a une valeur de capacité nettement supérieure à celle des autres condensateurs, mais il a des limites de tension inférieures à celles des autres condensateurs. Il est capable d’absorber et de charger beaucoup plus rapidement que les batteries, et il peut supporter beaucoup plus de cycles de charge et de décharge que les batteries rechargeables. En général, il stocke 10 à 100 fois plus d’énergie par unité de volume ou de masse que les condensateurs électrolytiques.

Les applications qui nécessitent de nombreux cycles de charge/décharge rapides plutôt qu’un stockage d’énergie compact à long terme utilisent des supercondensateurs. Ces applications comprennent les automobiles, les bus, les trains, les grues et les ascenseurs, où ils sont utilisés pour le freinage par récupération, le stockage d’énergie à court terme ou la fourniture d’énergie en mode rafale. Les supercondensateurs sont également utilisés dans des applications qui nécessitent de nombreux cycles de charge/décharge rapides. La sauvegarde de l’alimentation pour la mémoire vive statique est composée de composants plus compacts (SRAM).

La capacité électrostatique à double couche et la pseudocapacité électrochimique, qui contribuent toutes deux à la capacité totale du condensateur, avec quelques différences entre les deux, sont utilisées dans les supercondensateurs par opposition aux condensateurs ordinaires, qui utilisent le diélectrique solide conventionnel. Au lieu de cela, les supercondensateurs utilisent une capacité électrostatique à double couche et une pseudocapacité électrochimique:

La capacité électrostatique à double couche des condensateurs électrostatiques à double couche (EDLC) est beaucoup plus grande que la pseudocapacité électrochimique des électrodes électrochimiques. Les EDLC utilisent des électrodes ou des dérivés de carbone, la réalisation de la séparation de charge à l’intérieur d’une double couche de Helmholtz au contact entre la surface d’une électrode conductrice et un électrolyte.

La séparation de charge est de l’ordre de quelques ångströms (0,3–0,8 nm), beaucoup moins importante que dans un condensateur typique.

Les pseudocondensateurs électrochimiques utilisent des électrodes à oxyde métallique ou en polymère conducteur avec un grand niveau de pseudocapacité électrochimique en plus de la capacité à double couche. Ces électrodes sont utilisées dans les pseudocondensateurs électrochimiques. La pseudocapacité peut être créée par des processus redox, l’intercalation ou l’électrosorption ainsi que par le processus de transfert de charge électronique Faradaïque.

Les électrodes utilisées dans les condensateurs hybrides, tels que le condensateur lithium-ion, ont des propriétés variables, l’une affichant principalement une capacité électrostatique et l’autre principalement une capacité électrochimique. Les condensateurs hybrides sont utilisés dans des dispositifs tels que le condensateur lithium-ion.

La formation d’une connexion conductrice ionique entre les deux électrodes par l’électrolyte différencie ces condensateurs des condensateurs électrolytiques traditionnels, qui ont toujours une couche diélectrique entre les électrodes et l’électrolyte, et la substance connue sous le nom d’électrolyte, par exemple, MnO2 ou polymère conducteur, est en réalité un composant de la deuxième électrode, appelée cathode,  ou, pour le dire plus précisément, l’électrode positive).

L’utilisation d’électrodes asymétriques dans les supercondensateurs entraîne une charge polarisée ou, pour les électrodes symétriques, par l’application d’une tension pendant la production.

Le développement des modèles double couche et pseudocapacité peut être trouvé (pour plus d’informations sur le modèle double couche (interfacial), voir ici).

À partir du début des années 1950, les ingénieurs de General Electric ont commencé à expérimenter avec des électrodes de carbone poreuses dans la conception de condensateurs. Il s’agissait d’une progression naturelle par rapport à leurs travaux précédents sur les piles à combustible et les batteries rechargeables. En plus d’être un conducteur électrique, le charbon actif est un type de carbone particulièrement poreux et « spongieux » qui a une surface importante. Le « condensateur électrolytique basse tension avec électrodes de carbone poreuses » a été inventé par H. Becker en 1957. Il avait l’impression que l’énergie était maintenue sous forme de charge dans les pores du carbone, de la même manière que les condensateurs électrolytiques gardent leur charge dans les pores des feuilles gravées. On ne comprend pas exactement ce qui se passe dans le composant s’il est utilisé pour le stockage d’énergie, mais cela conduit à une capacité incroyablement grande. Il l’a déclaré dans le brevet à l’époque car il ne connaissait pas le mécanisme à double couche.

Au début, General Electric n’a pas suivi cette ligne de travail. Alors qu’ils travaillaient sur la conception expérimentale de piles à combustible en 1966, des chercheurs de la Standard Oil of Ohio (SOHIO) ont produit une autre version du composant connue sous le nom de « système de stockage d’énergie électrique ».

Dans les premiers condensateurs électrochimiques, les électrodes étaient constituées de deux feuilles de papier d’aluminium recouvertes de charbon actif. Ces électrodes étaient immergées dans un électrolyte et séparées les unes des autres par une fine couche d’isolant poreux. Le résultat de cette conception était un condensateur qui avait une capacité de l’ordre d’un farad, ce qui est beaucoup plus grand que les condensateurs électrolytiques de la même taille. Cette conception mécanique fondamentale continue de servir de base à la majorité des condensateurs électrochimiques.

SOHIO a choisi de ne pas commercialiser sa découverte, la concédant sous licence à NEC, qui a finalement commercialisé les découvertes sous le nom de « supercondensateurs » en 1978. Ceux-ci ont été conçus pour fournir une alimentation de secours à la mémoire de l’ordinateur. SOHIO n’a pas commercialisé leur idée. Son « supercondensateur » stockait la charge électrique en partie dans la double couche de Helmholtz et en partie à la suite de réactions faradaïques avec la « pseudocapacité », transfert de charge d’électrons et de protons entre l’électrode et l’électrolyte. Ces deux mécanismes ont contribué au stockage global de la charge électrique. Les processus redox, l’intercalation et l’électrosorption sont les trois mécanismes qui composent le fonctionnement des pseudocondensateurs (adsorption sur une surface). Le travail de Conway a contribué de manière significative à l’élargissement de l’ensemble des connaissances sur les condensateurs électrochimiques.

Le marché s’est développé de manière progressive. Vers 1978, Panasonic a commencé à commercialiser sa marque Goldcaps, ce qui a provoqué un changement. Le courant de décharge de la première génération de perturbateurs EDLC était limité par la résistance interne relativement élevée des cellules. Les applications nécessitant un faible courant, telles que l’alimentation des puces SRAM ou la sauvegarde de données, les utilisaient.

Les valeurs de capacité ont augmenté à la fin des années 1980 grâce aux progrès des matériaux d’électrode. Dans le même temps, le développement d’électrolytes avec une conductivité améliorée a augmenté les courants de charge / décharge. Cela a été possible parce que la résistance série équivalente (ESR) a été diminuée. En 1982, le Pinnacle Research Institute (PRI) a produit le premier supercondensateur à faible résistance interne dans le but de l’utiliser dans des applications militaires. Ces supercondensateurs ont été vendus sous la marque « PRI Ultracapacitor ». Ce travail a été repris par Maxwell Laboratories en 1992, qui est finalement devenu Maxwell Technologies. PRI était la source à partir de laquelle Maxwell obtenait le terme ultracondensateur; Maxwell a renommé ces appareils « Boost Caps » pour souligner leur utilisation dans les applications de puissance.

Les chercheurs cherchaient un moyen d’augmenter la tension de claquage de l’électrolyte, car la quantité d’énergie pouvant être stockée dans les condensateurs augmente proportionnellement au carré de la tension. David A. Evans a inventé le « condensateur électrolytique-hybride » en 1994 en utilisant l’anode d’un condensateur électrolytique au tantale haute tension. Ce condensateur avait une capacité de 200 volts. En raison des dépenses exorbitantes de production, ils ne pouvaient être utilisés qu’à des fins militaires restreintes.

Une avancée technologique récente est l’utilisation de condensateurs lithium-ion. En 2007, le FDK de Fujitsu a été un pionnier dans le développement de ces condensateurs hybrides. Ils mélangent une électrode électrochimique lithium-ion pré-dopée avec une électrode de carbone électrostatique afin de créer la batterie. La valeur de capacité est augmentée à la suite de cette combinaison. De plus, la procédure de prédopage réduit le potentiel d’anode et la tension de sortie des cellules, ce qui contribue à une augmentation encore plus importante de l’énergie spécifique.

Les départements de recherche de nombreuses organisations et collèges s’efforcent activement d’améliorer des qualités telles que la stabilité du cycle, l’énergie spécifique et la puissance spécifique, ainsi que de réduire les coûts de fabrication.

Les condensateurs électrochimiques, également appelés supercondensateurs, sont constitués de deux électrodes physiquement séparées par un séparateur constitué d’une membrane perméable aux ions et d’un électrolyte qui relie ioniquement les deux électrodes. Une tension appliquée polarisera les électrodes, ce qui entraînera la création par les ions de l’électrolyte de doubles couches électriques avec des polarités opposées à celles des électrodes. Par exemple, les électrodes polarisées positivement auront une couche d’ions négatifs à l’interface électrode/électrolyte, ainsi qu’une couche d’équilibrage de charge d’ions positifs adsorbant sur la couche négative. En effet, les électrodes polarisées positivement ont une charge positive nette. D’autre part, l’électrode polarisée négativement démontre le comportement opposé.

En outre, le matériau de l’électrode et la forme de la surface peuvent influencer si certains ions sont capables ou non de traverser la double couche, de se transformer en ions adsorbés avec précision et d’ajouter à la capacité globale du supercondensateur via le processus connu sous le nom de pseudocapacité.

Les deux électrodes forment un circuit série de deux condensateurs individuels C1 et C2.

La capacité totale Ctotale est donnée par la formule

C_{\text{total}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}

Les électrodes des supercondensateurs peuvent être symétriques ou asymétriques.

Si les électrodes sont symétriques, elles doivent toutes deux avoir la même valeur de capacité, ce qui donne une capacité totale de la moitié de la valeur de chaque électrode (si C 1 = C 2, alors C total = 1 /2  C1).

En ce qui concerne les condensateurs asymétriques, la capacité totale peut être considérée comme celle de l’électrode avec la plus petite capacité (si C 1 >> C 2, alors C total ≈  C2).

L’effet à deux couches est utilisé par les condensateurs électrochimiques afin de stocker l’énergie électrique; Cependant, cette double couche n’a pas de diélectrique solide traditionnel afin de séparer efficacement les charges. Un condensateur électrochimique a deux principes de stockage différents dans la double couche électrique des électrodes, et chacun de ces principes de stockage contribue à la capacité globale du condensateur:

La capacité à double couche fait référence au stockage électrostatique de l’énergie électrique qui peut être accompli en réalisant une séparation de charge dans une double couche de Helmholtz.

La pseudocapacité est le stockage électrochimique de l’énergie électrique qui est accompli par des réactions redox faradaïques avec transfert de charge.

Les méthodes de mesure sont le seul moyen de différencier les deux capacités. Bien que la capacité de chaque principe de stockage puisse varier considérablement, la quantité de charge pouvant être stockée dans un condensateur électrochimique est principalement proportionnelle à la taille de l’électrode. Ceci en dépit du fait que le condensateur électrochimique peut stocker une quantité importante de charge par unité de tension.

Chaque condensateur électrochimique contient deux électrodes qui sont couplées ioniquement l’une à l’autre via l’électrolyte. Ces électrodes sont séparées mécaniquement les unes des autres par un séparateur. L’électrolyte est une combinaison d’ions chargés positivement et négativement qui ont été dissous dans un liquide tel que l’eau. Chacune des deux surfaces d’électrode a une région qui sert de point de départ pour une zone dans laquelle l’électrolyte liquide entre en contact avec la surface métallique conductrice de l’électrode. Cette interface crée une frontière partagée entre deux phases distinctes de la matière, telles qu’une surface d’électrode solide insoluble et un électrolyte liquide adjacent. L’une de ces phases est la surface de l’électrode, tandis que l’autre est l’électrolyte. Un phénomène très unique connu sous le nom d’effet à deux couches a lieu juste ici à cette interface.

Lorsqu’une tension est appliquée à un condensateur électrochimique, les deux électrodes du condensateur forment des doubles couches électriques. Ces doubles couches sont constituées de deux couches différentes de charges: une couche électronique peut être trouvée dans la structure du réseau de surface de l’électrode, et l’autre, qui a la polarité opposée, émerge des ions dissous et solvatés dans l’électrolyte. Ces deux couches ont des polarités opposées. Une monocouche de molécules de solvant, ou molécules d’eau dans le cas de l’eau comme solvant, agit comme séparateur entre les deux niveaux; cette monocouche est appelée plan de Helmholtz interne (IHP). Les molécules de solvant adhèrent à la surface de l’électrode via un processus connu sous le nom d’adsorption physique. Ce faisant, ils divisent les ions polarisés opposéement les uns des autres et peuvent être conceptualisés comme une sorte de diélectrique moléculaire. Parce qu’il n’y a pas d’échange de charge entre l’électrode et l’électrolyte tout au long du processus, l’adhésion n’est pas causée par des liaisons chimiques mais par des forces physiques, telles que des forces électrostatiques. Les molécules qui ont été adsorbées sont polarisées, mais comme il n’y a pas de transfert de charge entre l’électrolyte et l’électrode, elles n’ont subi aucun changement chimique.

La quantité de charge présente dans l’électrode est équivalente au niveau de contrecharges présentes dans le plan de Helmholtz externe (OHP). Ce phénomène à double couche remplit la même fonction qu’un condensateur typique en stockant des charges électriques. La charge sur la double couche crée un champ électrique statique dans la couche moléculaire des molécules de solvant dans l’IHP. L’amplitude de ce champ est proportionnelle à l’intensité de la tension appliquée.

Même si elle n’a que l’épaisseur d’une seule molécule, la double couche remplit une fonction similaire à celle de la couche diélectrique dans un condensateur traditionnel. Par conséquent, la formule utilisée pour calculer la capacité des condensateurs à plaques traditionnels peut également être utilisée pour ces condensateurs :

C=\varepsilon {\frac {A}{d}} .

En conséquence, la capacité C est la plus grande dans les condensateurs fabriqués à partir de matériaux à haute permittivité ε, à grande surface des plaques d’électrode A et à une courte distance entre les plaques d.

En conséquence, les valeurs de capacité des condensateurs à double couche sont beaucoup plus élevées que celles des condensateurs ordinaires, en raison de la très grande surface des électrodes de charbon actif et de la distance extrêmement mince à double couche de l’ordre de quelques ångströms (0,3-0,8 nm), selon la longueur de l’échelle de Debye.

en raison de la capacité de la charge spatiale ionique.

Par conséquent, il est possible qu’une augmentation de la capacité quantique des nanostructures d’électrodes de carbone soit couplée à une augmentation ultérieure de la densité de capacité des SC.

La taille de l’électrode est le principal facteur qui détermine la quantité de charge pouvant être stockée dans un condensateur électrochimique pour chaque unité de tension. Le stockage électrostatique de l’énergie en double couche est linéaire par rapport à la charge stockée et correspond à la concentration des ions adsorbés. En effet, la charge stockée est proportionnelle à la quantité d’énergie stockée. De plus, la charge est transférée par des électrons dans les condensateurs conventionnels, tandis que dans les condensateurs à double couche, la capacité est liée à la vitesse de déplacement limitée des ions dans l’électrolyte et à la structure poreuse résistive des électrodes. Cela contraste avec la façon dont la charge est transférée dans les condensateurs conventionnels. Parce qu’il n’y a pas de réactions chimiques à l’intérieur de l’électrode ou de l’électrolyte, la capacité des doubles couches électriques à être chargées et déchargées est, en théorie, illimitée. La seule chose qui peut raccourcir la durée de vie des supercondensateurs réels est l’impact de l’évaporation de l’électrolyte.

Lorsqu’une tension est appliquée aux bornes d’un condensateur électrochimique, les ions électrolytes sont déplacés vers l’électrode polarisée opposée. Cette action crée une double couche, avec une seule couche de molécules de solvant servant de séparateur entre les deux couches. La pseudocapacité peut émerger si certains ions adsorbés de l’électrolyte traversent la double couche. Cette pseudocapacité stocke l’énergie électrique au moyen de réactions réversibles d’oxydoréduction faradaïque à la surface des électrodes appropriées dans un condensateur électrochimique doté d’une double couche électrique.) en raison du fait qu’il n’y a qu’un transfert de frais en cours.

Les états électroniques de valence, également connus sous le nom d’orbitales, du réactif d’électrode redox sont l’endroit où les électrons engagés dans les processus faradaïques sont transportés vers ou depuis lors. Ils pénètrent dans l’électrode négative puis s’écoulent via le circuit externe vers l’électrode positive, où ils trouvent une deuxième double couche qui s’est développée avec une quantité égale d’anions. Au lieu d’être transmis aux anions qui construisent la double couche, les électrons qui se rendent à l’électrode positive restent dans les ions de métaux de transition intensément ionisés et « avides d’électrons » qui se trouvent à la surface de l’électrode. En conséquence, la capacité de stockage de la pseudocapacité faradaïque est limitée en raison de la quantité insuffisante de réactif présent sur la surface accessible.

Parce que toutes les réactions de pseudocapacité n’ont lieu qu’avec des ions désolvatés, qui sont beaucoup plus petits que les ions solvatés avec leurs coquilles solvatantes, une pseudocapacité faradaïque ne peut se produire qu’en conjonction avec une capacité statique à double couche. Sa magnitude peut dépasser la valeur de la capacité double couche pour une même surface d’un facteur 100, selon la nature et la structure de l’électrode. Cela est dû au fait qu’une farada Dans certaines limites limitées, la quantité de pseudocapacité suit une fonction linéaire. Ces limites sont dictées par le degré de couverture de surface dépendant du potentiel atteint par les anions adsorbés.

La capacité des électrodes à obtenir des effets de pseudocapacité par l’utilisation de réactions redox, d’intercalation ou d’électrosorption dépend fortement de l’affinité chimique des matériaux de l’électrode avec les ions adsorbés sur la surface de l’électrode, en plus de la forme et du diamètre des pores de l’électrode.

Les matériaux présentant un comportement redox pour une utilisation comme électrodes dans les pseudocondensateurs sont des oxydes de métaux de transition comme RuO 2, IrO 2 ou MnO 2 insérés par dopage dans le matériau d’électrode conducteur tel que le charbon actif, en plus de recouvrir le matériau de l’électrode avec des polymères conducteurs tels que la polyaniline ou des dérivés du polythiophène.

La quantité de charge électrique qui peut être maintenue dans une pseudocapacité est directement proportionnelle à la quantité de tension qui lui est appliquée. Le farad est l’unité de mesure de la pseudocapacité.

Les condensateurs conventionnels, également appelés condensateurs électrostatiques, sont constitués de deux électrodes séparées par une substance diélectrique. Des exemples de condensateurs conventionnels sont les condensateurs céramiques et les condensateurs à film. Après avoir été chargée, l’énergie est maintenue dans un champ électrique statique qui pénètre dans le diélectrique situé entre les électrodes. L’énergie totale est proportionnelle à la quantité de charge accumulée, qui à son tour a une relation