Ciment, noir de carbone, électrolytes et eau constituent une recette simple pour un nouveau supercondensateur polyvalent

Si les développements récents en science des matériaux se concrétisent, notre monde ressemblera à un endroit très différent en seulement quelques années. Au cours de la semaine passée, non seulement la liste des scientifiques tentant de reproduire et de prouver la validité des affirmations récentes concernant un possible supraconducteur à température ambiante et pression ambiante appelé « LK‑99 », s’allonge, mais le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a également annoncé une découverte intéressante de son propre chef. Il s’agirait d’un supercondensateur économique fabriqué à partir de matériaux non exotiques.

Qu’est‑ce qu’un condensateur ?

Les condensateurs sont des dispositifs qui stockent l’énergie électrique en accumulant un déséquilibre interne de charge électrique entre deux plaques conductrices séparées par un isolant ou un diélectrique.

Qu’est‑ce qui rend un condensateur « super » ?

• Capacité de stockage: Les supercondensateurs peuvent stocker une quantité beaucoup plus grande de charge électrique comparé aux condensateurs standards. Cela est dû à la grande surface des électrodes et à la très faible distance entre elles, ce qui permet de stocker plus de charge.
• Densité d’énergie et de puissance: Alors que les condensateurs ont généralement une densité de puissance plus élevée (ils peuvent délivrer de l’énergie rapidement) mais une densité d’énergie plus faible (ils stockent moins d’énergie), les supercondensateurs comblent le fossé entre les condensateurs et les batteries en offrant à la fois une haute densité de puissance et une densité d’énergie relativement élevée.
• Construction: Les supercondensateurs utilisent souvent des matériaux et des méthodes de construction différents. Ils utilisent typiquement des matériaux carbonés poreux pour les électrodes, ce qui fournit une grande surface, ainsi qu’un électrolyte qui permet le déplacement des ions. La grande surface et la construction spéciale permettent au supercondensateur de stocker plus d’énergie.
• Taux de charge et de décharge: Les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés beaucoup plus rapidement que les batteries, et ils peuvent supporter beaucoup plus de cycles de charge/décharge que les batteries sans dégradation significative. Alors que les condensateurs standards se chargent et se déchargent rapidement, les supercondensateurs peuvent conserver la charge plus longtemps grâce à leur plus grande capacité de stockage.

En termes simples, bien que les condensateurs standards et les supercondensateurs fonctionnent sur le même principe de base de stockage d’énergie dans un champ électrique, les supercondensateurs se distinguent par leur capacité de stockage bien plus élevée, leurs matériaux de construction différents et leur capacité à combiner les caractéristiques des deux condensateurs et des batteries.

Où les supercondensateurs sont‑ils utilisés ?

Alors, maintenant que vous savez ce qu’est un supercondensateur, où sont‑ils utiles ? Les supercondensateurs sont couramment employés dans des applications où une livraison rapide d’énergie et un stockage efficace sont essentiels. Voici quelques‑unes des zones typiques où vous pourriez rencontrer des supercondensateurs :

• Véhicules électriques (VE): Les supercondensateurs peuvent fournir les rafales rapides de puissance nécessaires à l’accélération et peuvent également récupérer l’énergie lors du freinage régénératif, améliorant l’efficacité globale du véhicule.
• Transports publics: Dans les bus et les tramways, les supercondensateurs peuvent être utilisés pour stocker rapidement l’énergie pendant les arrêts courts puis fournir l’énergie nécessaire à l’accélération, réduisant la charge sur la source d’alimentation principale.
• Systèmes d’énergie renouvelable: Les supercondensateurs peuvent stocker l’énergie provenant de sources renouvelables comme le solaire et l’éolien, la libérant quand elle est nécessaire. Cela aide à lisser les fluctuations de l’approvisionnement énergétique lorsque le soleil et le vent sont rares.
• Alimentations sans interruption (ASI): Dans les systèmes qui nécessitent une alimentation continue, les supercondensateurs peuvent fournir une énergie temporaire pendant de courtes coupures ou jusqu’à ce que les générateurs de secours prennent le relais.
• Électronique grand public: Dans certains appareils, les supercondensateurs peuvent fournir les rafales rapides d’énergie requises pour certaines fonctions, comme la photographie flash dans les appareils photo et les installations audio haut de gamme pour voitures.
• Dispositifs médicaux: Les supercondensateurs peuvent être utilisés dans des dispositifs médicaux comme les défibrillateurs qui nécessitent une alimentation fiable et instantanée.
• Équipements industriels: Dans les environnements industriels, les supercondensateurs peuvent fournir la haute puissance nécessaire pendant de courtes durées dans diverses machines et outils.
• Stabilisation du réseau: Les supercondensateurs peuvent être utilisés dans le réseau électrique pour répondre rapidement aux variations de la demande ou de l’offre, aidant à stabiliser le réseau et à prévenir les fluctuations.
• Appareils de communication sans fil: Ils peuvent être utilisés pour fournir l’énergie nécessaire à la transmission de signaux, surtout dans des lieux éloignés ou difficiles d’accès où le remplacement des batteries est compliqué.
• Applications de réseaux intelligents et de micro‑réseaux: Les supercondensateurs peuvent faire partie de systèmes de gestion énergétique intelligents, aidant à équilibrer les charges et à stocker l’énergie localement pour une utilisation plus efficace.
• Aérospatiale et défense: Dans les applications aérospatiales, les supercondensateurs peuvent fournir une alimentation fiable pour les systèmes critiques qui exigent haute fiabilité et performance.

Dans l’ensemble, la polyvalence, la haute densité de puissance et les capacités de charge/décharge rapides des supercondensateurs les rendent adaptés à un large éventail d’applications où à la fois le stockage d’énergie et une libération rapide sont requis. Comme le montre la liste ci‑dessus, les supercondensateurs sont déjà utilisés dans une multitude d’industries. Ainsi, la découverte récente du MIT est particulièrement intrigante en raison de son potentiel à faire progresser tant d’implémentations différentes.

Une nouvelle recette

Selon le MIT, les chercheurs impliqués dans cette découverte ont développé une méthode pour produire un matériau à base de ciment avec une très grande surface interne en introduisant du noir de carbone dans un mélange de béton. Le matériau résultant, lorsqu’il est imprégné d’un électrolyte standard comme le chlorure de potassium, forme un supercondensateur puissant. Il est à noter que la quantité de carbone nécessaire est minimale, ce qui rend le processus à la fois peu coûteux et facilement reproductible.

Lors de la création d’un supercondensateur, il est important de se rappeler que ses performances dépendent largement de la surface interne de ses plaques conductrices. Le MIT déclare que,

“La clé des nouveaux supercondensateurs développés par cette équipe provient d’une méthode de production d’un matériau à base de ciment avec une surface interne extrêmement élevée grâce à un réseau dense et interconnecté de matériau conducteur à l’intérieur de son volume.”

Ce qui est essentiel dans cette découverte, c’est qu’elle a été réalisée avec des matériaux aussi banals, disponibles à bas prix partout dans le monde – ce qui en fait une technologie extrêmement accessible.

Ce qui rend cette découverte intéressante, c’est la réflexion sur ses futures applications potentielles dans la stabilisation des réseaux énergétiques et des besoins. L’équipe décrit une implémentation où les fondations d’une maison seraient faites de ce matériau. Non seulement le matériau peut être aussi robuste que le ciment ordinaire, mais la fondation d’une maison aurait une capacité suffisante pour fournir une journée entière d’électricité. Cela pourrait être exploité lors de coupures de courant, pendant les heures de pointe ou dans des circonstances similaires.

Il est également utile pour les habitations qui exploitent l’énergie renouvelable, où l’offre n’est pas constante. Pendant les périodes de production excédentaire, l’énergie stockée dans les fondations pourrait être rechargée, tandis que lors des périodes de pénurie, elle pourrait être puisée. D’autres implémentations incluent la technologie de charge sans fil, servant les communautés et les foyers déconnectés des réseaux électriques traditionnels, et bien plus encore.

Mot de la fin

L’importance d’un supercondensateur à base de ciment est immense, compte tenu de la propension humaine à construire avec ce matériau. Dans l’ensemble, l’équipe estime que son,

“…design matériel des composites carbone‑ciment poreux offre une solution matérielle évolutive pour le stockage d’énergie afin de soutenir la transition urgente des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables.”

Non seulement il serait facilement accessible, mais il pourrait également être mis en œuvre assez facilement tant dans des projets de petite que de grande envergure.