Les supercondensateurs hybrides offrent une alternative de stockage d'énergie

La batterie rechargeable et le supercondensateur ont chacun des avantages et des inconvénients relatifs, mais un une conception hybride qui fusionne les deux technologies en une seule structure peut surmonter bon nombre des limitations de chacune.

Le condensateur électrique à double couche (EDLC) - le plus souvent appelé "supercondensateur" et parfois "ultracondensateur" - est un incroyable composant passif de stockage d'énergie. En raison de sa capacité élevée de plusieurs farads et de sa petite taille, il fournit un stockage d'énergie à haute densité en volume et en poids. Dans certaines applications de télédétection, d'IoT et de récupération d'énergie, les supercaps sont une alternative aux batteries rechargeables ; dans d'autres situations, ils sont utilisés conjointement avec des batteries pour surmonter certaines des faiblesses de ces composants de stockage d'énergie électrochimiques. Ce n'est pas que l'un est intrinsèquement meilleur que l'autre; au lieu de cela, les supercaps et les batteries rechargeables (indépendamment de la chimie) ont chacun leurs forces et faiblesses relatives. Les priorités de l'application déterminent celle qui a le plus de sens, ou les deux sont nécessaires dans une sorte d'arrangement en tandem.

Il existe une autre alternative intéressante au choix d'un seul ou même des deux composants discrets :le supercondensateur hybride. Ce dispositif de stockage d'énergie n'est pas seulement un co-emballage évident d'une batterie rechargeable et d'un supercap. Au lieu de cela, il utilise une construction unique dans laquelle l'assemblage unique est à la fois un supercap et une batterie Li-ion en même temps, figure 1 (voir les références pour plus de détails).

Figure 1 :Cette vue de haut niveau de la structure du supercondensateur hybride montre qu'il ne s'agit pas d'un supercondensateur et d'une batterie partageant un seul boîtier à deux bornes. (Source de l'image :Taiyo Yuden)

Parmi les vendeurs de ces supercondensateurs hybrides figurent Taiyo Yuden (la société les appelle supercondensateurs lithium-ion, ce qui est techniquement tout à fait correct), Eaton et Maxwell Technologies, Inc. (qui fait maintenant partie de Tesla).

Il existe de nombreux tableaux publiés fournissant des comparaisons entre les supercaps standard et les batteries rechargeables lithium-ion (tableau 1) . Gardez à l'esprit que chaque ressource et chaque fournisseur a une perspective différente, comme vous vous en doutez, et que la technologie elle-même évolue à un rythme rapide.

Tableau 1 : Ceci compare les caractéristiques de premier plan des supercondensateurs par rapport aux batteries rechargeables lithium-ion ; chacun peut avoir un ensemble différent d'entrées selon la source d'information et le moment. (Source de l'image :Maxwell Technologies, Inc., via Battery University )

Malgré les vertus apparentes de ces supercaps hybrides, j'ai toujours eu des sentiments mitigés sur les dispositifs hybrides et les structures en général. D'une part, la combinaison de deux technologies ou matériaux permet souvent de conserver les meilleurs aspects de chacun tout en surmontant certaines faiblesses. Cela ne s'applique pas qu'à l'électronique :pensez au béton armé de barres, ou aux polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) utilisés comme peau de la dernière génération de carrosseries et d'appendices d'avions.

Dans le même temps, ces combinaisons présentent parfois de nouvelles lacunes. Par exemple, les équipements de test multifonctions peuvent avoir des spécifications réduites ou des limites de flexibilité par rapport aux unités optimisées à usage unique. Le «couteau suisse» bien connu est un exemple non électrique :chacun de ses outils individuels peut être «assez bien» mais n'est certainement pas aussi bon qu'un outil dédié ; néanmoins, la combinaison globale lame/accessoire et l'emballage apportent des avantages en termes de taille, de poids et de coût.

Pour les supercaps hybrides, il y a aussi un problème de gestion. Les batteries rechargeables Li-ion ont leurs besoins spécifiques en ce qui concerne la surveillance des taux de charge et de décharge, le comptage des coulombs et la température (pour citer quelques facteurs) - et les supercondensateurs ont leur propre liste de comparaisons. Alors, comment gérer la supercapitalisation hybride ? Les tactiques seront-elles en conflit ou sont-elles suffisamment similaires pour qu'une seule approche puisse fonctionner pour l'hybride à deux terminaux ?

Je pense à la diode tunnel :malgré ses caractéristiques de performances attrayantes, en tant que dispositif à deux bornes sans connexions d'entrée-sortie-terre distinctes, il était assez difficile à utiliser et est donc tombé en disgrâce; il en va de même pour la diode PIN (il suffit de regarder certains de ses schémas de circuit d'application). Peut-être que des circuits intégrés tels que le Maxim MAX38889 récemment introduit, un régulateur buck/boost réversible de 2,5 V à 5,5 V, 3 A optimisé pour les applications de sauvegarde de supercondensation, fonctionnent assez bien pour les deux ? (Figure 2)

Figure 2 :Le MAX38889 cible spécifiquement la gestion des supercondensateurs; il peut aussi y avoir une batterie dans le circuit. (Source de l'image :Produits intégrés Maxim)

Décider d'utiliser ou non une solution hybride pour un problème donné implique souvent de peser des compromis difficiles à évaluer. En plus des avantages évidents où chaque constituant surmonte un ou plusieurs courts-circuits de l'autre, il existe également de nombreux cas où de nouvelles faiblesses sont introduites.

Est-il judicieux d'utiliser l'hybride supercap ? La réponse est simple :cela dépend. Dans certains cas, une nouvelle lacune est inacceptable dans l'application, tandis que dans d'autres, les nouveaux avantages l'emportent sur les inconvénients. Quantitativement, le modèle ne doit pas seulement résoudre l'équation « est-ce que 1 +1 <, =ou> 2 ? » mais doit également évaluer les lacunes créées par la solution.

Quelle a été votre expérience avec les solutions hybrides (combinées ou fusionnées) (et pas seulement les supercaps hybrides) ? Le gain global était-il plus important que tout inconvénient supplémentaire ? Comment jugez-vous l'équilibre entre les avantages et les inconvénients de l'approche hybride ?

Références
Eaton, « Les supercondensateurs hybrides expliqués »

Eaton, « Livre blanc sur les supercondensateurs hybrides HS »

Battery University, "BU-209 :Comment fonctionne un supercondensateur ?"

Taiyo Yuden, « Condensateurs lithium-ion :le remplacement ultime de l'EDLC »

Taiyo Yuden, « Périphériques de stockage d'énergie :condensateurs au lithium-ion ; Condensateurs électriques à double couche"

Notes techniques, « Les supercondensateurs deviennent hybrides pour des performances et une efficacité accrues »

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, EE Heures.

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