par Thibaut Emme

VE : Les supercondensateurs tiennent-ils leur revanche ?

Les supercondensateurs ont de beaux atouts pour les véhicules électriques. Le principal ? Pouvoir être chargé "instantanément". Certaines avancées pourraient les rendre encore plus intéressants en gommant certains inconvénients.

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Les condensateurs sont partout dans notre monde moderne. Pratiquement la moindre carte électronique en contient au moins un, de très faible capacité électrique (le ratio entre charge et tension, en farad ou F). Pour les véhicules électriques, on parle de "supercondensateur", car ils ont une capacité électrique bien plus importante (nécessaire pour pouvoir mouvoir un véhicule de plus d'une tonne) que les µF généralement rencontrés en électronique.

Ces supercondensateurs (ou supercondos, supercapacitor, ultracapacitor, etc.) ont un énorme intérêt : on peut les charger "instantanément" (ou quasiment) tandis que leur décharge peut être lente. Cette asymétrie entre charge et décharge les rend intéressants pour un VE. Si on imagine un supercondo dans un VE, on pourrait imaginer des recharges en quelques secondes.

Et côté cycle, on dépasse généralement les 10 000. C'est-à-dire que l'on peut les charger et décharger 10 000 fois avant une perte significative de capacité électrique. Et souvent, cette dernière ne dépasse pas les 10%. Les meilleures batteries lithium-ion commercialisées ont un nombre de cycles d'environ 1500 avant une perte de capacité de 25%.

Une densité médiocre à améliorer

Alors, c'est la panacée le supercondo ? Eh bien...non. Le principal souci du condensateur est sa densité énergétique. On compte généralement entre 10 et 15 Wh/kg. Une batterie li-ion dernière génération sera entre 200 et 250 Wh/kg. On considère les batteries comme lourdes, alors imaginez avec des condensateurs !

Evidemment, les chercheurs tentent d'améliorer cette densité par différents moyens. Les pistes suivies sont souvent proches de celles utilisées pour les batteries lithium-ion. Dans une étude nommée "Covalent Graphene‐MOF Hybrids for High‐Performance Asymmetric Supercapacitors", des scientifiques de différentes universités (Inde, Allemagne, République Tchèque, Australie, etc.) ont publié leurs avancées.

En utilisant ce que l'on appelle des structures de matériaux hybrides (ici métal-organique ou MOF), appliquées sur du graphène (1), ces chercheurs sont parvenus à augmenter significativement la capacité des condensateurs par rapport à ceux basés uniquement sur une cathode en graphène.

Vive le graphène et les MXenes...

De plus, pour l'anode, ils utilisent du "Ti3C2TX MXene" alias un MXene de carbure de titane (2). La combinaisons de ces nouveaux matériaux en couche leur a permis d'atteindre une densité de 73 Wh/kg. En termes de perte de capacité, ces supercondos se retrouvent à 88% de capacité après 10 000 cycles.

73 Wh/kg, c'est entre les NiCd (nickel cadmium) et les NiMh (nickel métal hydrure). Concernant la densité de puissance, ce condensateur est à 16 kW/kg. Pour comparaison, une pile li-ion est à quelques centaines de watts par kilogrammes (40 à 50 fois moins). On aurait donc ici un candidat prometteur pour diverses applications, dont les véhicules électriques.

Oui mais, n'allons pas trop vite en besogne. Déjà, 73 Wh/kg, c'est toujours moins qu'une Lithium-ion actuelle, 3 à 4 fois moins. Mais, c'est déjà largement mieux qu'avant. Ensuite, on en est encore au stade du laboratoire. Sortir un tel condensateur en production ne se ferait sans doute pas avant des années. Années que mettront à profit les constructeurs de piles li-ion pour, eux aussi, avancer dans leurs chimies et ainsi améliorer la densité énergétique et la possibilité de charger fortement et rapidement ces nouvelles générations de batteries.

Déjà dans certains véhicules électriques

Alors ? Bon à jeter ce nouveau supercondo ? Non, pas forcément. En effet, il aura d'autres applications que la voiture, des applications où le poids n'est pas forcément un frein. Pour l'automobile électrique, une solution hybride pourrait être envisagée. Une batterie li-ion couplée à un supercondensateur. Le supercondo servirait alors de réservoir instantané. Mais, cette solution donnerait soit un véhicule plus lourd, soit avec moins d'autonomie, avec une partie récupérable en quelques secondes via la charge du condensateur.

Surtout, depuis des années, on nous promet que le graphène et d'autres techniques vont doper les condensateurs pour remplacer les batteries lithium-ion. Pour le moment...on ne voit rien arriver de concret.

Bref, on est encore loin d'avoir un VE à supercondensateurs. Enfin, pas tout à fait. En effet, un VE de série a possédé des condensateurs...la Bolloré BlueCar. En effet, la batterie LMP (lithium métal polymère) de la voiture bretonne n'est pas capable de récupérer "beaucoup" d'énergie au freinage par exemple. Un supercondensateur permet alors de récupérer une forte puissance instantanément. Puis, il se décharge lentement dans la batterie.

En course, Toyota a utilisé un supercondensateur dans les prototypes Le Mans TS030 et TS040. Depuis 2016 et le passage au prototype TS050, Toyota utilise un système de batterie lithium. La nouvelle Toyota Hypercar GR010 ne déroge pas à cette règle et utilise elle-aussi une batterie lithium ion haute puissance.

Pour ceux qui voudraient lire l'étude dans son ensemble, c'est par ici.

Notes

(1) Le graphène est une couche d'atomes de carbone agencés sous forme de graphite (en hexagone). C'est une sorte de "feuille 2D de graphite.

(2) Les MXenes sont eux aussi des matériaux 2D mais composés de carbures, nitrures, carbonitrures de différents métaux. Ces feuilles de molécules possèdent comme le graphène des propriétés chimiques et électriques permettant de doper certaines réactions.

Illustration : Skeleton Technologies (CC BY 4.0)

Pour résumer

Les supercondensateurs ont de beaux atouts pour les véhicules électriques. Le principal ? Pouvoir être chargé "instantanément". Certaines avancées pourraient les rendre encore plus intéressants en gommant certains inconvénients.

Thibaut Emme
Rédacteur
Thibaut Emme

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