Une nouvelle compréhension des supercondensateurs pourrait révolutionner les normes de charge

Une nouvelle compréhension des supercondensateurs pourrait permettre de charger votre téléphone ou votre véhicule électrique en quelques secondes. Cette semaine, des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder ont publié une étude dans les Proceedings of the National Academy of Science sur la dynamique du transfert d’ions via la charge poreuse à double couche électrique (EDL), qui a le potentiel de révolutionner le marché des supercondensateurs. Voici ce que vous devez savoir.

Qu’est-ce que les supercondensateurs ?

Les condensateurs sont un composant essentiel de l’électronique actuelle. Ces dispositifs stockent l’énergie électrostatique dans un champ électrique plutôt que de créer de l’énergie par des méthodes chimiques comme les batteries traditionnelles. En conséquence, ils possèdent des caractéristiques uniques qui les rendent idéaux lorsqu’une puissance d’impulsion extrêmement élevée et une grande capacité sont requises.

Supercondensateurs vs Batteries

Les supercondensateurs et les batteries stockent tous deux de l’énergie, mais de manières très différentes. Les batteries les plus courantes stockent l’énergie grâce à des réactions chimiques. Cette méthode est idéale pour des besoins énergétiques à long terme, mais présente des inconvénients majeurs, tels que des temps de charge longs et un poids élevé. Les supercondensateurs ajoutent de la capacité, ce qui en fait le système idéal pour fournir des rafales d’énergie lorsque cela est nécessaire.
Comme les supercondensateurs stockent l’énergie sous forme de charge statique plutôt que par une réaction électrochimique, ils peuvent être rendus plus légers. Dans la plupart des cas, ils sont utilisés pour compléter les circuits DC et se retrouvent dans de nombreux appareils électroniques courants.

Comment fonctionnent les supercondensateurs ?

Les supercondensateurs accumulent la charge en piégeant des ions dans des pores. Cette méthode de charge permet à un supercondensateur de se charger complètement en quelques secondes. Jusqu’à récemment, cette méthode de stockage d’électricité était limitée en termes de couches et de pores. Cependant, c’est précisément cette méthode de charge unique qui a attiré l’attention de l’ingénieur biochimique Ankur Gupta et de son équipe.

Rencontre des domaines scientifiques

Gupta et son équipe de chercheurs ont trié les données obtenues en étudiant l’écoulement à travers des matériaux poreux et les ont appliquées aux supercondensateurs. Dans la plupart des cas, cette science était appliquée à des dispositifs non électroniques tels que les systèmes de filtration d’eau. Notamment, Gupta a réalisé que son expertise pouvait également être utilisée en électronique. Leurs résultats ont montré que les méthodes de charge à double couche électrique (EDL) pouvaient être améliorées grâce à leur modèle afin de créer des dispositifs de stockage d’énergie plus efficaces, y compris des batteries capables de se charger en quelques secondes.

Détails de l’étude

Les chercheurs ont commencé par examiner comment la connectivité des pores et la polydispersité influencent la charge en termes d’efficacité et de capacité. Pour accomplir cette tâche, ils ont développé de nouvelles méthodes pour prédire le mouvement de l’électrolyte à travers des pores multicouches disposés en structures complexes.

Le nouveau modèle améliore la planification des ingénieurs

Le modèle a simulé des milliers de pores interconnectés empilés en couches et a suivi le mouvement des ions. Ajouter davantage de couches à ces systèmes s’est avéré être une méthode efficace pour augmenter les capacités de capture d’énergie. L’essentiel est de créer une structure qui permette de piéger le maximum d’ions sans provoquer de bouchage complet.
Il est à noter que les chercheurs ont déterminé que la maximisation de la surface pouvait améliorer les performances et les capacités de stockage. Ainsi, ils ont ajouté de la profondeur à leurs simulations. Leur modèle permet aux ingénieurs de prédire avec précision les relations structure-propriété et leur impact sur le transfert d’énergie dans ces filtres multicouches complexes. Les données ont ensuite été croisées pour déterminer les méthodes les plus efficaces de génération et de décharge d’énergie lorsqu’elles sont requises.

Résultats de l’étude

L’étude a permis aux chercheurs de créer des modèles et de tester les résultats plusieurs fois plus rapidement que les méthodes précédentes. Plus précisément, les résultats ont été maximisés sur un réseau triangulaire de cinq mille pores, ce qui a pris 6 minutes pour être complété. À l’avenir, ils espèrent simuler la limite de Debye–Hückel sans restrictions sur l’épaisseur de l’EDL et le rayon des pores.

Loi de Kirchhoff

Les chercheurs ont noté qu’ils ont conçu l’idée après avoir modifié la loi de Kirchhoff. Le physicien allemand Gustav Kirchhoff a créé en 1845 deux lois régissant le comportement de l’électricité, appelées loi des tensions et loi des courants de Kirchhoff. Ces lois sont encore utilisées aujourd’hui pour déterminer la résistance dans des réseaux complexes.

Applications réelles des supercondensateurs

Les supercondensateurs ont de nombreuses applications concrètes dans divers secteurs. Vous pouvez trouver ces dispositifs utiles pour tamponner des systèmes, alimenter des véhicules, et bien plus encore. Voici les utilisations les plus courantes des supercondensateurs aujourd’hui.

Protection de la mémoire et sauvegarde interne de batterie

L’une des utilisations les plus populaires des supercondensateurs aujourd’hui est la protection de la mémoire et le support de batterie de secours. Les supercondensateurs sont parfaitement adaptés à cette tâche car ils sont légers, plus petits que les batteries, fiables et ne nécessitent aucun entretien. Ainsi, ces dispositifs se trouvent dans la plupart des appareils électroniques DC aujourd’hui.
Les supercondensateurs peuvent fournir une sauvegarde fiable de la mémoire grâce à leur capacité à supporter rapidement des charges de puissance élevées. Cette capacité les rend idéaux en cas d’arrêt inattendu ou d’autres scénarios de perte d’alimentation. Dans ces situations, il est courant que ces dispositifs transfèrent le cache vers la mémoire flash, sauvegardant votre progression pendant les précieuses secondes de la perte d’énergie.

Tamponnage de puissance

Une autre utilisation très courante des supercondensateurs est de fournir un tampon pour les systèmes à haute intensité. Les supercondensateurs offrent la solution idéale lorsqu’un surcroît de puissance est nécessaire. Cette capacité permet à ces unités d’atténuer les fluctuations de puissance afin d’assurer une alimentation fluide.
Le tamponnage de puissance dans l’électronique est répandu et les supercondensateurs sont le moyen le plus courant de faire fonctionner ces dispositifs de manière fluide. Ces dispositifs offrent la densité de puissance et la capacité de livraison nécessaires pour injecter de l’énergie lorsque le système en a besoin, sans recourir à des systèmes supplémentaires. Ainsi, vous pouvez trouver des supercondensateurs qui assistent le contrôle de traction, les accélérations et d’autres tâches essentielles des véhicules électriques.

Récupération d’énergie

Les méthodes de récupération d’énergie peuvent être considérablement améliorées grâce aux supercondensateurs. Les caractéristiques des supercondensateurs, telles que la capacité de stocker de l’énergie supplémentaire et de la libérer en quelques secondes, en font un excellent choix pour le processus de récupération d’énergie. Ils jouent ici un rôle essentiel en lissant les pics de courant irréguliers.
La technologie de récupération d’énergie continue de croître en portée et en importance. Aujourd’hui, les supercondensateurs jouent un rôle crucial pour garantir une alimentation fluide et constante sur les réseaux communautaires, les batteries à longue durée de vie, les piles à combustible ou même les moteurs à combustion avancés. Dans un avenir proche, les supercondensateurs auront un rôle encore plus important dans la récupération d’énergie, en aidant à maximiser les rendements des fermes solaires et éoliennes de nouvelle génération.

Intégration avec les batteries

Il est facile de comprendre pourquoi les supercondensateurs pourraient être la clé de meilleures batteries. Déjà, certaines batteries intègrent ces dispositifs afin d’assurer une alimentation et une charge fluides. Ainsi, les supercondensateurs garantissent que les tensions irrégulières n’endommagent pas les circuits ni ne créent de pics problématiques.
Des recherches ont démontré que les supercondensateurs peuvent aider à améliorer les performances des batteries à de nouveaux sommets. Leur haute capacité et leur libération rapide permettent à ces dispositifs de stocker plus d’énergie que les batteries. De plus, cette puissance peut être appliquée là où elle est nécessaire 10 fois plus rapidement que les méthodes de livraison traditionnelles.

Stockage d’énergie dans les véhicules hybrides

Les véhicules hybrides constituent un autre secteur qui a trouvé une utilisation pour les supercondensateurs. Au cours des cinq dernières années, un effort soutenu a été déployé pour développer des moteurs entièrement alimentés par des condensateurs pour les véhicules. Cette évolution révolutionnerait l’industrie en permettant une recharge quasi instantanée grâce à diverses options, notamment le freinage régénératif, l’alimentation ambiante et d’autres méthodes avancées.
L’objectif est que les supercondensateurs deviennent la principale source d’énergie pour ces unités. Cette approche réduirait considérablement les coûts et le poids des véhicules électriques. Elle améliorerait également la durabilité et la fiabilité tout en allégeant le poids de ces véhicules. Tous ces facteurs ont conduit les fabricants d’hybrides à investir des fonds considérables dans la recherche des meilleures options.

IoT – Internet des objets

L’IoT est un vaste réseau d’appareils intelligents qui a évolué pour inclure des milliards d’unités. Ces appareils sont intelligents car ils possèdent des capteurs et communiquent avec Internet. Ces dispositifs souvent petits et à faible consommation pourraient exploiter les supercondensateurs pour répondre à leurs exigences énergétiques tout en restant compacts et abordables.
L’IoT est en pleine expansion, les analystes prévoyant que ce réseau de dispositifs, comptant un milliard d’unités, augmentera considérablement dans les années à venir. Ainsi, l’alimentation de ces unités est devenue une priorité majeure pour les développeurs, ingénieurs et fabricants.

Avantages de cette recherche

Le principal avantage de l’étude des chercheurs est l’amélioration des supercondensateurs. Leur modèle permettra aux fabricants de créer des dispositifs complexes et plus efficaces qui alimenteront des batteries à charge ultra-rapide, des réseaux électriques, les déplacements, et bien plus encore. Voici quelques entreprises qui pourraient bénéficier de cette technologie dans les années à venir.

1. FREYR Battery

(FREY )

FREYR Battery est un fabricant luxembourgeois de cellules de batterie qui reste la force dominante sur le marché. L’entreprise a été fondée en 2018 pour répondre au marché croissant des batteries pour véhicules électriques. Aujourd’hui, la société se spécialise dans le stockage d’énergie, l’aviation, l’automobile et les services de batteries électriques.

FREYR Battery est une puissance sur le marché avec d’importantes opérations en Norvège et aux États‑Unis. La Géorgie accueillera l’usine de batteries Giga actuellement en construction par l’entreprise. Ces batteries massives sont conçues pour servir le secteur industriel, faisant de cette usine un effort pionnier sur le marché.

FREYR Battery a une capitalisation boursière (MCAP) qui fluctue entre 225 M$ et 359,74 M$. En examinant l’action sur la période des 52 dernières semaines, les valeurs ont varié entre 1,21 $ et 10,10 $, avec un sommet historique de 16,94 $ atteint le 6 octobre 2022. Actuellement, les analystes prévoient que FREY Battery soit un « hold » solide, les prévisions variant de 10,00 $ à 1,90 $.

2. QuantumScape

(QS )

QuantumScape a été financée par Jagdeep Singh, Tim Holme et Fritz B. Prinz. Elle est entrée sur le marché en 2010 et est basée en Californie. L’entreprise se spécialise dans la technologie des batteries à état solide et d’autres stratégies d’économie d’énergie. Notamment, cette société de batteries innovante pourrait intégrer les avancées des chercheurs à l’avenir pour améliorer son offre.

QuantumScape cherche à repousser les limites de la technologie des batteries afin d’améliorer l’efficacité et la durabilité. L’entreprise a récemment attiré l’attention en devenant le seul fabricant à développer des cellules de batterie sans anode. Cette amélioration offre une densité d’énergie plus élevée et réduit les coûts de fabrication.

Les traders noteront que l’action QuantumScape a fluctué entre 4,92 $ et 13,86 $ au cours des 52 dernières semaines. La capitalisation boursière (MCAP) de cet actif a varié entre 2 M$ et 3 M$. Malgré le fait que le format ne montre pas de retours aux traders, il est toujours considéré comme un bon ajout car ses innovations ont un fort potentiel pour bouleverser le marché dans les mois à venir.

Avenir des supercondensateurs

L’avenir des supercondensateurs est prometteur. De plus en plus d’entreprises poursuivent leurs recherches pour améliorer ces dispositifs utiles et les intégrer aux systèmes existants afin d’optimiser les performances. Ainsi, le marché des supercondensateurs est très actif et riche en innovations. À l’avenir, les chercheurs consacreront du temps à l’exploration de nouveaux matériaux.
De plus, une attention accrue sera portée aux caractéristiques physiques de ces dispositifs. Ils pourraient bientôt être rendus plus souples, flexibles, voire extensibles pour servir les robots souples et d’autres marchés émergents. Réduire la taille de ces dispositifs est un autre enjeu majeur qui stimulera l’innovation.

Économie verte

L’avenir des supercondensateurs est vert. De nombreuses recherches portent sur la façon de rendre ces dispositifs biodégradables à l’avenir. Cette amélioration aiderait à réduire leur impact sur l’environnement à mesure que leur utilisation augmente. La durabilité est une préoccupation majeure pour toutes les technologies à venir. Ainsi, les matériaux des supercondensateurs deviendront plus exotiques avec le temps afin de minimiser les dommages à l’écosystème.

Les nouveaux supercondensateurs acquièrent de nouvelles capacités

Lorsque l’on considère le rôle crucial que les supercondensateurs jouent dans votre quotidien, il est facile de comprendre pourquoi cette recherche suscite tant d’intérêt. Ces dispositifs alimentent les appareils électroniques dont tant de personnes dépendent au quotidien. À l’avenir, les batteries à charge ultra-rapide et les réseaux électriques seront exactement ce que le marché exige. Ainsi, il est judicieux de rester informé de l’évolution de cette recherche.

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