Percée du Gomme d’Arbre Accélère la Durée de Vie des Supercondensateurs

Les batteries font partie des dispositifs de stockage d’énergie les plus populaires. Ces dispositifs électrochimiques peuvent être chargés et déchargés de nombreuses fois sans dommage. Elles offrent de nombreux avantages, tels que la réduction des coûts énergétiques, l’augmentation de l’indépendance énergétique, l’amélioration de la stabilité du réseau et le soutien à l’intégration des énergies renouvelables. 

Mais il existe un autre dispositif de stockage d’énergie électrochimique qui possède des capacités bien supérieures à celles des batteries. Cet appareil est un supercondensateur, également appelé ultracondensateur ou condensateur électrochimique.

Un dispositif de stockage d’énergie à haute capacité, le supercondensateur, comble le fossé entre les batteries et les condensateurs conventionnels. 

Cet appareil présente une densité de puissance élevée, environ mille fois supérieure à celle des batteries rechargeables. Il stocke également plus de charge qu’un condensateur et se charge et se décharge plus rapidement que les batteries.

En plus de posséder une grande stabilité cyclique, les supercondensateurs offrent une efficacité de charge/décharge rapide, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant des rafales d’énergie rapides. Aujourd’hui, les supercondensateurs sont de plus en plus utilisés dans divers domaines, notamment les lasers, les alimentations portables, les équipements de flash pour appareils photo, les générateurs de lumière pulsée, les systèmes d’énergie renouvelable, les véhicules électriques hybrides et les systèmes de secours industriels.

Actuellement, un supercondensateur est composé de deux électrodes, conducteurs électroniques reliés au circuit externe, séparées par un électrolyte, conducteur ionique, et un séparateur, qui est une membrane séparant électriquement les électrodes afin d’éviter les courts-circuits tout en permettant à certains ions de traverser pour prévenir un circuit ouvert du système.

En raison de sa haute densité de puissance et de son respect de l’environnement, notamment sa recyclabilité, le supercondensateur est l’un des systèmes de stockage d’énergie les plus largement et activement étudiés.

Dans un supercondensateur, la réaction contrôlée par la surface détermine principalement sa capacité. Ainsi, une interface stable entre l’électrode et l’électrolyte est essentielle pour obtenir des performances élevées et garantir une stabilité électrochimique.

Les propriétés interfaciales sont cruciales pour assurer de hautes performances électrochimiques, c’est pourquoi les chercheurs développent différentes méthodes pour améliorer et surmonter les problèmes qui y sont associés.

Cependant, toutes ces tentatives rencontrent d’importantes limites telles que l’évolutivité, le coût, le respect de l’environnement et le nombre d’étapes nécessaires au traitement. Il est donc essentiel de proposer une solution durable qui réponde à ces critères tout en permettant d’atteindre une haute densité d’énergie/puissance pour un fonctionnement à long terme.

Ainsi, une équipe de chercheurs de trois institutions différentes s’est réunie pour présenter un nouvel additif électrolytique, composé d’un biopolymère conjugué de gomme kondagogu ou d’alginate de sodium (KS). Cette gomme d’arbre est non seulement largement disponible mais aussi recyclable.

L’introduction de la gomme d’arbre a créé une couche protectrice à la surface de l’électrode, empêchant la formation de sous‑produits tout en permettant un transport ionique/électronique facile. Notamment, l’utilisation de ce concept d’additif novateur dans le système de supercondensateur améliore la fiabilité électrochimique.

Même à une faible concentration de KS, soit 5 mg ml⁻¹, la rétention de capacité s’est améliorée de 35 % pour atteindre un impressionnant 93 % après 30 000 cycles à une densité de courant de 4,0 mA cm⁻². C’est tout simplement « remarquable » compte tenu de l’utilisation d’un électrolyte acide H₂SO₄ et d’une électrode à base de carbone.

L’étude qualifie cela de « premier rapport » sur une amélioration considérable du fonctionnement à long terme du supercondensateur grâce à l’introduction d’un additif électrolytique biopolymère conjugué. Cette solution, grâce à sa simplicité, son faible coût et son respect de l’environnement, a le potentiel d’être commercialisée.

Rôle de la Gomme d’Arbre dans les Supercondensateurs de Nouvelle Génération

Des chercheurs des universités d’Écosse, de Corée du Sud et¹ d’Inde ont mené la recherche, qui a été publiée ce mois-ci dans Energy Storage Materials. 

Cela comprend l’University of Glasgow, Chung‑Ang University, Ajou University, Amrita University et Myongji University, qui ont conjointement conçu la structure composite KS conjuguée pour un supercondensateur très stable offrant biocompatibilité et excellente fiabilité électrochimique.

La gomme résiduelle utilisée ici est produite par des arbres en Inde. Les gommes d’arbre ont de nombreuses applications dans des secteurs tels que l’alimentation, les cosmétiques et les produits pharmaceutiques. Cette gomme particulière, cependant, n’a pas beaucoup d’utilisations pratiques.

En fait, les gommes utilisées sont « un vrai casse‑tête pour le gouvernement indien à éliminer », a noté l’auteur correspondant de l’étude, le Dr Jun Young Cheong de la James Watt School of Engineering de l’University of Glasgow. Il a ajouté :

« Avec cette recherche, nous avons trouvé un moyen de créer quelque chose de réellement impactant à partir de cette gomme, en créant un biopolymère biodégradable et recyclable qui offre des performances remarquables et pourrait prolonger la durée de vie utile des supercondensateurs de façon spectaculaire. »

L’utilisation d’électrolytes acides affecte la performance à long terme des supercondensateurs. En provoquant des réactions secondaires indésirables avec leurs électrodes métalliques, ils réduisent leur capacité à conserver une charge complète au fil du temps.

Ensuite, il y a le problème du remplacement, du recyclage et de l’élimination des supercondensateurs en fin de vie. Cela contribue au problème croissant des déchets électroniques, qui représente d’importants risques environnementaux et sanitaires.

Ainsi, l’équipe a utilisé la gomme kondagogu, un polysaccharide (biomolécule complexe) produit par l’écorce de l’arbre Cochlospermum Gossypium ou gomme Kondagogu (KO). Les chercheurs l’ont combinée avec de l’alginate de sodium pour produire un biopolymère en forme d’éponge nommé « KS ».

L’ajout de ce biopolymère à l’électrolyte acide a formé une couche protectrice sur les électrodes en carbone, aidant à prévenir la dégradation physique des électrodes. Cette protection a été apportée sans affecter le processus de transport ionique, ce qui permet au supercondensateur de se charger et de se décharger.

L’électrolyte amélioré a considérablement renforcé les performances du supercondensateur.

« En laboratoire, nous avons démontré d’excellentes performances sur 30 000 cycles. Si nous effectuions un cycle par jour, le supercondensateur pourrait théoriquement durer plus de 80 ans sans perdre de performances significatives, ce qui signifierait que les supercondensateurs pourraient être utilisés dans les appareils pendant beaucoup plus longtemps sans être remplacés. »

– Dr. Cheong

La recherche repose en fait sur les travaux continus du Dr Cheong sur l’utilisation des déchets biologiques dans les batteries. Ses recherches ont également démontré l’efficacité d’utiliser des liants à base de gomme, solubles dans l’eau, dans les anodes en graphite des batteries Li‑ion.

La « recherche sur les liants à base de gomme biodégradable soluble dans l’eau pour anode en graphite naturel pour batteries lithium‑ion » a été publiée² l’été dernier, et évoquait le remplacement du polyfluorure de vinyleidène (PVdF) conventionnel, qui utilise le N‑Méthyl‑2‑pyrrolidone nocif pour l’environnement, par un liant soluble dans l’eau.

L’étude détaillait la fabrication d’anodes à base de graphite naturel en utilisant le PVdF et des liants biodéchets solubles dans l’eau (W‑SB) provenant de la gomme de l’arbre Cochlospermum gossypium. Les deux utilisaient 10 % en poids de liant. 

L’électrode NG‑W‑SB présentait de bonnes propriétés mécaniques et conservait son intégrité structurelle après le cyclage, favorisant une faible résistance au transfert de charge sur l’électrode. Elle affichait également des pics de courant élevés au premier cycle, indiquant une performance électrochimique améliorée, contrairement aux pics légèrement faibles de l’électrode NG‑PVdF, qui a ensuite subi une dégradation de capacité dès 200 cycles. NG‑W‑SB, quant à elle, possède une rétention de capacité stable plus élevée, atteignant jusqu’à 360 cycles.

« En général, les liants W‑SB ont montré des caractéristiques de rétention cyclique fortement améliorées, des capacités de taux comparables et une résistance d’électrode plus faible, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour l’adoption des biodéchets (gomme) comme liant fonctionnel soluble dans l’eau pour les applications de batteries lithium‑ion », a noté l’étude.

Une autre recherche du Dr Cheong³ porte sur « Carbone activé dérivé de matière organique pour supercondensateur en papier de mûrier écologique », où le carbone activé (CA) a été préparé à partir de pelure d’orange (PO), un déchet courant, puis revêtu sur du papier de mûrier (PM), qui montre une hydrophilie, une haute teneur en holocellulose et une forte liaison avec le matériau actif. Un autre revêtement de poly(3,4‑ethylenedioxythiophène) polystyrène sulfonate (PEDOT : PSS) a été utilisé pour fabriquer un PM à double revêtement pour le supercondensateur ici.

Autres Développements dans le Domaine des Supercondensateurs

Étant donné l’importance cruciale des supercondensateurs dans diverses applications, les chercheurs du monde entier explorent activement des moyens d’améliorer leurs performances. 

Traitement Plasma pour Améliorer la Capacité

Plus tôt ce mois‑ci, des scientifiques de l’Institut Skolkovo de Science et Technologie (Skoltech) en Russie ont présenté un traitement plasma capable de doubler la capacité des supercondensateurs.

L’équipe, selon le chercheur principal de l’étude, le professeur assistant Stanislav Evlashin, explore des moyens d’améliorer les performances des supercondensateurs « en bricolant le matériau à base de carbone utilisé dans leurs électrodes ».

Il existe deux façons d’augmenter la quantité d’énergie qu’un supercondensateur stocke, a expliqué Evlashin :

« Soit vous augmentez la surface effective des électrodes par un design de surface complexe, soit vous introduisez des atomes étrangers dans le matériau carboné des électrodes. »

Leur étude s’est concentrée sur l’effet de l’introduction d’atomes étrangers dans le matériau carboné des électrodes de supercondensateur via un traitement plasma. 

L’équipe a testé l’impact du plasma avec six compositions chimiques différentes sur la capacité des nanomurs de carbone, mais seul le plasma composé d’un mélange d’azote et d’argon a montré une amélioration substantielle. 

« Nous avons constaté que la première chose qui se produit est que le carbone amorphe restant après la croissance des structures de nanomurs de carbone est éliminé. Cela est suivi par la formation de nouveaux défauts et l’incorporation d’hétéroatomes dans la structure du matériau carboné. Le carbone amorphe, ainsi que les hétéroatomes d’azote, contribuent à l’apparition de pseudocapacité. »

– Evlashin

Advancing Performance Through Electrode & Material Engineering

Cette semaine, des chercheurs de l’University of California ont conçu une orientation d’électro‑cristallisation⁴ ainsi qu’une activation de surface sous large plage de température pour les ZHSC ou supercondensateurs à ions zinc.

Comme le souligne l’étude, assortir la capacité de l’anode et de la cathode est nécessaire pour maximiser les performances de la cellule électrochimique. Ainsi, ils ont présenté deux approches pour équilibrer l’utilisation des électrodes dans les ZHSC.

Cela comprend la réduction de la formation de dendrites, qui augmente la durée de vie cyclique, en modifiant le collecteur de courant de l’anode avec des nanoparticules de cuivre. L’autre stratégie consistait à augmenter la capacité de la cathode en carbone activé via une réaction électrolytique.

La cellule complète a conservé 84 % de sa capacité même après 50 000 cycles complets de charge‑décharge jusqu’à 2 V. Sa capacité cumulative, quant à elle, était de 19,8 Ah cm⁻², dépassant celle des ZHSC, ce qui rend cette conception d’appareil « prometteuse pour des applications à haute endurance, notamment les alimentations sans interruption et les systèmes de récupération d’énergie nécessitant des cycles fréquents », a-t-elle déclaré.

Une étude du mois dernier, quant à elle, a recommandé⁵ de modifier la structure anionique de l’oxyde de cobalt au lithium afin d’améliorer la densité d’énergie et la capacité de stockage de charge des supercondensateurs.

Pour cela, l’oxyde de cobalt au lithium a été modifié en LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, qui a présenté des caractéristiques de performance impressionnantes, notamment une capacité de 512 F g⁻¹ et une efficacité coulombique de plus de 92 % après 4000 cycles à une densité de courant de 2 A g⁻¹. La stabilité électrochimique du matériau modifié à des courants élevés, ainsi que sa faible résistance série équivalente, selon l’étude, « le positionne comme un candidat important pour les futures avancées de la technologie des supercondensateurs. »

Supercondensateurs Plastiques pour un Stockage d’Énergie Accru

Des chercheurs utilisent même le plastique pour améliorer les supercondensateurs. Des chimistes de l’UCLA ont développé des nanofibres PEDOT texturées, semblables à de la fourrure, qui offrent une plus grande surface de stockage de charge et une conductivité électrique supérieure.

Le PEDOT ou poly(3,4‑éthylènedioxythiophène) est un film transparent et flexible appliqué aux surfaces des composants électroniques et des films photographiques pour les protéger de l’électricité statique. Son potentiel de stockage d’énergie est assez limité, car les matériaux PEDOT ne possèdent pas la conductivité électrique et la surface nécessaires pour contenir de grandes quantités d’énergie.

Cependant, grâce à une méthode innovante, les chimistes ont contrôlé la morphologie du PEDOT pour faire pousser des nanofibres avec précision. Le processus de croissance en phase vapeur a créé des nanofibres PEDOT verticales ressemblant à une herbe dense poussant vers le haut.

« La croissance verticale unique du matériau nous permet de créer des électrodes PEDOT qui stockent beaucoup plus d’énergie que le PEDOT traditionnel. »

– L’auteur correspondant, le scientifique des matériaux de l’UCLA Maher El‑Kady

L’équipe a ensuite créé un supercondensateur utilisant les structures PEDOT qui a stocké près de dix fois plus de charge que le PEDOT conventionnel et a duré près de 100 000 cycles de charge.

Selon l’auteur correspondant, Richard Kaner, professeur de chimie ainsi que de science et d’ingénierie des matériaux :

« Les performances exceptionnelles et la durabilité de nos électrodes montrent un grand potentiel pour l’utilisation du graphene PEDOT dans les supercondensateurs qui peuvent aider notre société à répondre à ses besoins énergétiques. »

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Ajouter des Supercondensateurs aux Batteries pour Accélérer la Vitesse de Charge

Au milieu de toutes ces recherches, même le constructeur automobile allemand BMW a déposé un brevet de supercondensateur qui pourra charger des voitures de course hybrides en une minute.

L’entreprise explore le potentiel d’ajouter un supercondensateur spécifique aux sports mécaniques aux batteries afin de réduire considérablement le temps de charge. Selon la demande, coupler une super‑voiture hybride d’une capacité de plus de 20 kWh à un système existant à base de batterie aidera à surmonter certains des principaux inconvénients des deux systèmes.

BMW estime que « pour un client souhaitant conduire le véhicule sur le circuit, cela pourrait offrir la possibilité de rouler continuellement aux limites physiques avec de courtes interruptions. »

Son concurrent, le groupe Volkswagen, utilise déjà un supercondensateur dans la Lamborghini Sian. Le supercondensateur stocke l’énergie électrique, qui est ensuite alimentée à un moteur électrique. La Sian possède un moteur de 25 kW intégré à la boîte de vitesses pour fournir un e‑boost au V12 de 577 kW de 6,5 L ou le faire fonctionner entièrement à l’électricité lors des manœuvres à basse vitesse.

Entreprises Innovantes dans le Domaine

La taille du marché mondial des supercondensateurs se chiffre en milliards de dollars, stimulée par la demande croissante de solutions de stockage d’énergie durables et écoénergétiques. Ainsi, de nombreuses entreprises, telles que Panasonic Corporation et Skeleton Technologies, travaillent à l’amélioration de la technologie.

Un nom de premier plan dans ce secteur est AVX Corporation, qui a été acquise par le fabricant japonais d’électronique Kyocera Corporation en 2020, date à laquelle l’action ordinaire d’AVX a cessé d’être cotée à la NYSE. Les actions de Kyocera, quant à elles, sont négociées sur le marché OTC (KYOCF:OTCPK) à 10,70 $, ce qui porte sa capitalisation boursière à 15,85 milliards de dollars. Elle verse un rendement de dividende de 3,12 %.

KEMET Corporation est également reconnue pour offrir une large gamme de supercondensateurs aux performances élevées pouvant être utilisés comme batteries secondaires lorsqu’ils sont appliqués dans un circuit DC. Selon son site officiel, les dispositifs conviennent le mieux aux applications à basse tension et de maintien DC. Originellement une société américaine introduite en bourse à la NYSE en 1990, KEMET a été acquise par la société taïwanaise Yageo Corporation en 2020.

Maxwell Technologies est une autre grande fabricante d’ultracondensateurs. Tesla (TSLA ) l’a acquise en 2019, pour la revendre à UCAP Power en 2021. Malgré la vente de Maxwell, le fabricant de véhicules électriques et de batteries, dont la capitalisation boursière s’élève à 817,34 milliards de dollars, a conservé son procédé de fabrication d’électrodes sèches, basé sur sa technologie de condensateur. Les actions de TSLA sont actuellement en baisse de plus de 37 % depuis le début de l’année, s’échangeant à 248,80 $.

Il y a également CAP‑XX, basée en Australie, qui fabrique des supercondensateurs minces et prismatiques destinés aux appareils portables grand public, à l’électronique commerciale et industrielle, ainsi qu’aux applications d’énergie propre. Elle est cotée sur le marché AIM de la Bourse de Londres.

Les supercondensateurs de CAP‑XX offrent une haute densité d’énergie, une haute tension de cellule et un courant de fuite extrêmement faible. Grâce à leurs supercondensateurs, les fabricants peuvent réduire la taille, le poids et le coût des batteries, le nombre et le coût des composants impliqués, ainsi que leur impact environnemental.

Conclusion

Alors que les batteries ont attiré les projecteurs, les supercondensateurs gagnent en importance en devenant l’un des composants les plus cruciaux de l’écosystème énergétique mondial. Après tout, ils offrent une haute efficacité, une longue durée de vie cyclique et une livraison d’énergie instantanée.

Actuellement, les supercondensateurs sont complémentaires dans le secteur du stockage d’énergie pour des applications telles que l’électronique grand public, la régulation des énergies renouvelables, les véhicules hybrides électriques et les systèmes d’alimentation de secours, qui nécessitent des cycles de charge‑décharge rapides et une longue durée de vie opérationnelle.

Ainsi, l’adoption plus large des supercondensateurs reste limitée par le coût, les matériaux et les préoccupations environnementales. Cependant, des approches comme les biopolymères à base de gomme d’arbre s’attaquent à ces défis, ce qui laisse entrevoir un avenir prometteur pour les supercondensateurs. La commercialisation prendra du temps, mais une fois qu’elle sera en plein essor, les supercondensateurs pourront devenir grand public et jouer un rôle clé dans les systèmes énergétiques durables.

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Études Référencées:

1. ​Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., Padil, V. V. T., Cheong, J. Y., & Yun, T. G. (2025). Supercondensateur durable avec interface électrode‑électrolyte stable rendue possible par un additif électrolytique biopolymère conjugué. Energy Storage Materials, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195

2. Chang, J. H., Pin, M. W., Msalilwa, L. R., Shin, S. H., Han, C., Yu, H., Chandio, Z. A., Padil, V. V. T., Kim, Y., & Cheong, J. Y. (2024). Liants à base de gomme biodéchet soluble dans l’eau pour anode en graphite naturel pour batteries lithium‑ion. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467

3. Han, Y., Yoon, H., Cheong, J. Y., & Hwang, B. (2025). Carbone activé dérivé de matière organique pour supercondensateur en papier de mûrier écologique. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). Ingénierie de l’orientation électro‑cristallisation et activation de surface dans les supercondensateurs à ions zinc à large plage de température. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). Ingénierie des anions dans l’oxyde de cobalt au lithium pour application dans les supercondensateurs haute performance. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7