Il ne se passe pas une semaine sans qu’un journal télévisé n’évoque le supercondensateur, cette solution miracle qui stockera l’électricité des véhicules électriques du futur.

Le problème, c’est que personne ne sait comment ça marche.

Vraiment, personne. Et sûrement pas les journalistes qui dissertent à son propos, vantant ses multiples qualités.

Leur source ? Les services commerciaux des constructeurs qui leur ont susurré des mots doux à l’oreille.

Je ne peux pas leur jeter la pierre. Car vraiment, ce n’est pas un sujet facile.

Mais justement, quand un sujet est complexe et qu’en plus il prétend concentrer le futur de la mobilité, il faut absolument le prendre au sérieux.

Le prendre au sérieux, ça veut dire l’étudier pour de vrai. Savoir comment il fonctionne. Savoir qu’il existe de nombreux supercondensateurs et de nombreuses technologies qui peuvent se targuer de cette appellation.

Alors voilà ce que je vous propose : dans cet article, il y a tout ce que vous devez savoir à propos des supercondensateurs.

Et à la fin de votre lecture, vous serez en mesure de savoir si oui ou non, les supercondensateurs équiperont les véhicules électriques de la prochaine génération.

Commençons par la base : qu’est-ce qu’un supercondensateur ?

Le supercondensateur est un moyen de stockage de l’électricité très particulier, car il est capable de produire des puissances largement supérieures à ce qu’on peut trouver chez les batteries.

Il repose sur un phénomène découvert en 1853^[1], qu’on appelle la « double couche électrique ».

Grossièrement, l’idée est de mettre deux électrodes en vis-à-vis et de les séparer par un électrolyte pour faire transiter des ions dans les deux sens. Leur transfert permet ainsi de produire un courant électrique pour alimenter un moteur.

Bingo, vous avez tout compris !

Ou peut-être pas.

Car si on retrouve cette description façon Wikipédia un peu partout, ça ressemble plus à un Kamoulox improbable qu’à autre chose. Manque de chance, dire des phrases que je ne comprends pas n’est vraiment pas mon objectif.

D’autant qu’en même temps que je me fais mousser avec ces phrases alambiquées, j’omets de vous dire que lors de mes recherches, je suis très rapidement tombé sur un os.

Cet os, c’est que le terme « supercondensateur » est en réalité un terme générique qui fait référence à 3 familles différentes de solutions de stockage électrique^[2].

Autrement dit, il y a supercondensateur, supercondensateur et supercondensateur.

Les 3 familles de supercondensateurs

Venons-en aux faits.

Les supercondensateurs se divisent en 3 familles :

• Les EDLC (pour « Electrochemical Double Layer Capacitors » – condensateurs à double couche électrochimique dans la langue de Zinedine Zidane) ;
• Les pseudo-supercondensateurs (à vos souhaits) ;
• Et les supercondensateurs hybrides.

SI j’avais été d’humeur taquine, j’aurais disserté sur les deux premières familles, pendant des dizaines de lignes.

J’aurais décrit leurs mécanismes avec une précision tout à fait scientifique.

Et j’aurais conclu avec une phrase délicieuse. Par exemple :

« Mais si ces supercondensateurs sont passionnants, certains pensent que ce ne sont pas eux qui concentrent l’avenir de la mobilité. Non, ce sont ceux qui appartiennent à la dernière famille. Celle des supercondensateurs hybrides. »

C’est votre jour de chance, je ne suis pas taquin aujourd’hui.

Mieux, je suis d’humeur efficace. Je vais donc me concentrer sur les supercondensateurs hybrides, car ils sont un savant mélange des deux autres familles de supercondensateurs. De cette manière, je fais d’une pierre trois coups.

Surtout que ça m’évoque mille questions :

• Quels sont les mécanismes qui font fonctionner les supercondensateurs de chaque famille ?
• Comment fonctionnent ces supercondensateurs hybrides ?
• Pourquoi sont-ils si prometteurs ?

Le suspense est intenable.

Alors brisons-le.

Comment fonctionne un supercondensateur ?

Le supercondensateur fonctionne grâce à deux électrodes qui stockent et libèrent de l’électricité.

Et sa particularité, c’est que le supercondensateur le fait grâce à deux mécanismes :

• Un mécanisme d’accumulation de charge électrostatique à l’interface de l’électrolyte,
• Et un mécanisme d’oxydo-réduction (comme dans une batterie).

Nous avons donc une première réponse : les deux mécanismes en question sont celui d’accumulation de charge électrostatique (qui a lieu dans les supercondensateurs EDLC) et celui d’oxydoréduction (qui a lieu dans les pseudo-supercondensateurs).

Allons-nous nous contenter de simplement les nommer ?

Non, évidemment.

Alors zoomons un peu sur ces deux mécanismes.

Le mécanisme d’accumulation de charge électrostatique

Pour comprendre ce mécanisme, la première étape est de prendre deux plaques d’un matériau conducteur.

Peu importe le matériau, tant qu’il ne rouille pas. Car nous allons l’immerger dans des conditions difficiles.

Disons que ça sera du carbone, car le carbone est conducteur et ne s’oxyde pas.

La deuxième étape, c’est de plonger ces deux plaques de carbone dans une eau salée. Plus précisément, tablons sur une eau contenant du sulfate de sodium.

Voilà, comme ça.

Eh bien sous vos yeux ébahis, le mécanisme d’accumulation de la charge électrostatique vient de se produire. Enfin ce n’est pas vraiment l’accumulation qui a survenu, mais une organisation spontanée des charges électrostatiques à la surface des électrodes.^[3]

Rapprochez-vous de l’image jusqu’à apercevoir les ions frétiller dans l’électrolyte, et vous verrez ce dont je veux parler.

Voilà donc ce qu’on peut voir grâce à notre loupe grossissante :

• Des ions positifs et des ions négatifs nagent en désordre au milieu de l’électrolyte ;
• Mais un ordre s’est formé, à la frontière entre les électrodes et l’électrolyte ;
• Sur l’électrode de gauche, les électrons se sont spontanément amassés à l’interface avec l’électrolyte, ce qui a attiré quelques ions positifs qui passaient par là ;
• Et sur l’électrode de droite, ce sont de mystérieux trous d’électrons qui se sont collés à l’interface, rameutant les ions négatifs qui étaient dans la région.

On observe alors un phénomène de double couche de part et d’autre des zones de contact entre les électrodes et l’électrolyte :

• Une couche de particules chargées (électrons et trous d’électrons) ;
• Et une couche d’ions (positifs et négatifs).

D’où le terme « double couche » qu’on retrouve dans la première famille de supercondensateurs.

Si vous suivez bien, vous comprenez que nous n’avons pas encore terminé de décrire le mécanisme d’accumulation de la charge électrostatique. Car ce n’est pour le moment qu’un phénomène d’organisation spontanée.

Mais pas d’inquiétude, c’est très simple à comprendre à partir d’ici.

En vérité, il suffit de brancher les plaques de carbone à l’électricité.

De cette manière, on alimente notre circuit en électrons, ce qui densifie les couches d’électrons et de trous à la surface des électrodes. Conséquence immédiate : les ions positifs et négatifs qui se promenaient sans but dans l’électrolyte se ruent vers les électrodes.

Si bien que rapidement, les doubles couches sont saturées.

Car on a procédé à une accumulation des charges électriques dans les électrodes jusqu’à n’en plus pouvoir.

Et comme il n’y a aucune transmission directe de la charge électrique entre les électrodes et l’électrolyte, on dit que cette charge est électrostatique^[5]. D’où le mécanisme que l’on décrit comme « accumulation de charge électrostatique ».

Il ne reste donc qu’à brancher les deux électrodes à un moteur.

Ça permet alors de libérer les électrons qui s’étaient agglutinés dans l’électrode de gauche, qui rejoignent l’électrode de droite qui manquait d’électrons. De cette manière, le supercondensateur retrouve son état d’équilibre.

Jusqu’à la prochaine recharge.

Ça, c’était pour le premier mécanisme, celui qu’on retrouve dans les supercondensateurs EDLC et dans une des deux électrodes des supercondensateurs hybrides.

Passons au second mécanisme, celui qu’on retrouve dans les pseudo-supercondensateurs et dans l’autre électrode des supercondensateurs hybrides.

Le mécanisme d’oxydoréduction dans les supercondensateurs

Ce deuxième mécanisme ressemble à ce qu’on trouve dans les batteries, mais de loin.

Car quand on y regarde de plus près, la différence saute aux yeux.

Pour vous en convaincre, prenez les deux mêmes électrodes que celles que vous avez utilisées plus haut. Sauf que celles-là ne sont pas en carbone, mais en dioxyde de ruthénium – un oxyde de métal. Moi non plus, je ne sais pas ce que c’est, mais faites-moi confiance^[6].

Ce matériau nous intéresse à double titre :

• Il s’apparente à une mini-éponge ;
• Et il a une capacitance spécifique élevée (en français, ça veut dire qu’il est capable d’accumuler beaucoup d’électrons et de trous, selon le mécanisme qu’on a vu juste avant) ;

Il ne vous reste alors plus qu’à tremper les électrodes au nom imprononçable dans un électrolyte. Cette fois, ce sera une eau remplie de sel de calcium. Mais ça ne change pas beaucoup de ce qu’on a vu il y a quelques minutes, puisque ça reste des ions qui frétillent.

Et voilà le résultat :

Comme dans l’autre mécanisme, il y a bien une accumulation des charges dans chaque électrode.

Mais cette fois, pas de double couche. Ce sont carrément des ions H⁺ qui étaient logés confortablement dans une électrode qui décident de se ruer vers l’autre électrode pour s’accoupler avec un électron.

La raison : l’autre électrode est plus gonflée d’électrons que celle dans laquelle ils se trouvent.

Les ions H⁺ sont des animaux primaires : ils se rendent là où on leur promet le plus d’électrons. C’est buffet à volonté pour eux !

Et c’est l’exacte définition d’une réaction d’oxydoréduction. Lorsque l’une des deux électrodes est remplie d’ions H⁺ et que l’autre s’en est vidée, il suffit alors de brancher un moteur entre les deux électrodes pour l’alimenter en électrons qui viendront rétablir l’équilibre entre les électrodes.

Voilà donc pour le deuxième mécanisme, celui d’oxydoréduction, qui prend place dans les pseudo-supercondensateurs et dans l’autre électrode des supercondensateurs hybrides.

Ici, j’aimerais faire un premier bilan, car il est bon de savoir où nous en sommes afin de ne pas perdre notre objectif de vue.

Ce que nous avons découvert jusqu’à présent se résume en plusieurs étapes :

• D’abord, nous avons convenu que le but de cet article était de savoir si les supercondensateurs à l’usage des véhicules électriques étaient pertinents ;
• Nous avons alors vu que c’était les supercondensateurs hybrides qui concentraient nos meilleurs espoirs (et nous allons voir pourquoi dans quelques paragraphes, et pourquoi c’est plus difficile qu’il n’y paraît dans d’autres paragraphes encore plus lointains) ;
• La suite, ça a été de comprendre pourquoi on les décrit comme hybrides – c’est qu’ils utilisent les deux mécanismes d’accumulation des charges électrostatique et d’oxydoréduction ;
• Ce qui nous a logiquement amenés à comprendre ces deux mécanismes dans les grandes lignes.

La suite est donc toute trouvée.

Car sauf erreur de ma part, j’ai l’impression qu’on ne sait toujours pas comment ces deux mécanismes fusionnent pour former un supercondensateur hybride.

À moins que j’aie oublié d’introduire un détail ?

Ah oui, le condensateur lithium-ion. Je crois qu’il est temps d’en parler.

Le condensateur lithium-ion : le meilleur des deux mondes

Les supercondensateurs sont connus depuis un petit bout de temps.

Mais s’ils n’ont jamais explosé sur le marché de la mobilité électrique, c’est qu’ils ont un gros défaut : leur densité énergétique est trop faible.

C’est-à-dire que si vous installez un supercondensateur EDLC ou un pseudo-supercondensateur sur votre véhicule électrique, votre autonomie sera extrêmement faible. Trop faible pour être sérieuse.

En moyenne, vous pourrez stocker entre 5 et 10 Wh par kg de supercondensateur, contre 150-200 Wh par kg d’une batterie lithium-ion de véhicule électrique^[7]. Vous irez donc entre 15 et 40 fois moins loin.

Pas idéal.

L’idéal, ça serait de faire un mélange entre ces deux technologies.

Et c’est exactement ce qui a été fait depuis le début de ce siècle.

Le meilleur ratio entre densité énergétique et densité de puissance

Ce mélange est le bienvenu.

Car jusqu’à présent, le moteur à combustion interne règne en maître sur le diagramme de Ragone.

Le diagramme de quoi ?

Il est probable que vous n’en ayez jamais entendu parler. Mais il est encore plus probable que vous l’ayez déjà vu passer quelque part.

C’est le diagramme qui compare les performances – à la fois en termes de densité énergétique et de densité de puissance – des différentes solutions de stockage énergétique auxquelles nous avons accès aujourd’hui.

Ce diagramme est terriblement pratique. Car il permet de connaître en un coup d’œil les forces et les faiblesses des diverses technologies.

Celui-là date de 2004^[3] :

Ce qu’on y voit est très clair :

• Les batteries et les piles à combustibles sont les reines de l’autonomie ;
• Les condensateurs et les supercondensateurs sont les rois de la recharge rapide ;
• Et les moteurs à combustion internes sont les meilleurs partout.

Quand on voit cette hégémonie, on comprend pourquoi des équipes de recherche s’affairent depuis le début des années 2000 à fusionner les rois de la recharge rapide avec les reines de l’autonomie.

Car l’une des manières les plus directes de permettre la démocratisation des véhicules électriques est de les rendre équivalents en confort aux véhicules thermiques. Et grâce à une autonomie et une recharge équivalentes, le confort serait garanti et les usagers rassurés.

Avec les condensateurs lithium-ion, il semblerait qu’ils aient trouvé comment agréger les qualités. Je vous laisse vérifier ça par vous-même, avec ce diagramme de Ragone^[7] :

L’encart des moteurs à combustion interne n’était pas présent sur le diagramme mais je l’ai ajouté, pour avoir un critère de comparaison.

À la lecture de ce diagramme, il apparaît évident que les condensateurs lithium-ion sont prometteurs. Ils permettent de s’approcher aussi près que possible des moteurs à combustion interne tant en termes de densité de puissance qu’en termes de densité énergétique.

C’est un superbe exploit, et ça coche les deux cases qui inquiètent beaucoup les automobilistes :

• Une capacité d’autonomie raisonnable,
• Et une rapidité de recharge irréprochable.

Bingo !

Nous avons trouvé l’avenir de la mobilité électrique !

Pas si vite.

Nous nous enflammerons plus tard. Car pour le moment, nous n’avons aucune idée du mécanisme qui se cache derrière les condensateurs lithium-ion. Alors avant de célébrer, voyons ce qu’il en est.

Surtout que vous risquez d’être surpris.

Comment fonctionne un condensateur lithium-ion ?

Le condensateur lithium-ion est un supercondensateur hybride.

C’est donc un savant mélange entre un supercondensateur de type EDLC et une batterie lithium-ion. Il se gargarise donc de fonctionner grâce aux deux mécanismes que nous avons vus plus haut : l’accumulation de charge électrostatique et l’oxydoréduction.

Vous imaginez bien que pour y parvenir, ce n’est pas simple du tout.

Mais grossièrement, l’idée est d’emprunter :

• L’électrode négative d’une batterie lithium-ion (appelée « anode » à tort, mais par praticité on va utiliser ce terme),
• Et l’électrode positive d’un supercondensateur EDLC (qu’on appellera « cathode », par commodité mais de manière toute aussi erronée).

Dès lors, voilà à quoi ressemble un condensateur lithium-ion au repos :

Je sais, il y a du nouveau dans cette image.

Alors lisons-la de gauche à droite, pour voir ce qu’elle a à nous apprendre.

Tout à gauche, un nouveau personnage s’est ajouté, en gris aluminium. Pour cause, c’est une feuille d’aluminium, qu’on appelle « collecteur ». Son rôle est simple car son nom est transparent : le collecteur sert à collecter les électrons.

Profitons-en pour observer qu’à l’opposé de l’image, on trouve un autre collecteur.

Mais cette fois, il est en cuivre. Pourquoi du cuivre et pas de l’aluminium ? Difficile de l’expliquer en une seule ligne, mais disons que sans cette différence de matériaux, le condensateur ne fonctionnerait pas.

Continuons.

Collé au collecteur en aluminium, on trouve l’électrode empruntée au supercondensateur EDLC (la cathode, ou électrode positive). Et comme attendu, elle a déjà formé une double couche avec les ions PF₆^– qui se trouvaient dans l’électrolyte.

Les ions quoi ?

Les ions PF₆^–, ceux-là même qui ont été versés dans l’électrolyte, sous la forme d’une poudre blanche (du lithium hexafluorophosphate). Au contact de l’eau de l’électrolyte, cette poudre s’est alors transformée en ions PF₆^– et Li⁺. Les fameux.

Tant que le condensateur est au repos, ces ions s’agitent comme des poissons désœuvrés.

Vous aurez sans doute remarqué la ligne pointillée bleue. Elle, c’est le séparateur.

Son rôle est transparent, lui aussi. Il permet de séparer les électrodes, pour éviter toutes sortes de complications que nous n’allons pas évoquer ici mais que j’ai décrites dans mon article sur les batteries lithium-ion.

Vient enfin l’électrode de droite (l’anode ou électrode négative), gracieusement prêtée par une batterie lithium-ion. Elle est composée de deux couches : la première est appelée « interface », tandis que la deuxième est l’électrode à proprement parler.

Sa seule différence avec les électrodes qu’on trouve dans les batteries lithium-ion, c’est qu’elle est dopée en ions lithium.

Elle a en effet subi au préalable un traitement de pré-lithiation^[8], qui lui permet d’être remplie d’ions lithium. Plus que remplie, elle en est gavée. Car d’après ce que j’ai compris, les ions lithium représentent 70% de sa masse après cette opération^[9].

Ça vous semble peut-être un détail, mais sans ça le condensateur lithium-ion ne fonctionnerait pas.

Et là, bonjour tristesse. Car nous n’aurions plus le moindre espoir de concurrencer l’hégémonie en densité énergétique et en densité de puissance des moteurs à combustion.

Nous sommes donc sauvés.

Enfin, pas tout à fait. Car nous n’avons pas encore branché ce condensateur lithium-ion au réseau électrique.

La charge des condensateurs lithium-ion

Je viens de le brancher à une prise :

Ce qu’il s’y passe est très perturbant.

Surtout quand on a étudié les batteries lithium-ion. Car nous sommes habitués aux transferts d’ions d’une électrode à l’autre. Ici, ce n’est pas du tout le cas. C’est plutôt chacun dans son coin^[10].

En effet, le branchement au réseau électrique génère deux comportements différents sur chacune des électrodes.

Dans la cathode, qui joue donc son rôle de supercondensateur, c’est l’exode des derniers électrons qui restaient en son sein. Ils sont tous attirés par le câble électrique laissant de nombreux trous d’électrons à la surface de l’électrode.

Les ions PF₆^– n’en demandaient pas tant.

Car plutôt que de nager sans but précis dans l’électrolyte, ils aperçoivent la possibilité de rejoindre leurs congénères qui se sont rapprochés des trous d’électrons, formant la double couche que nous connaissons.

Sur leur route vers leur trou sœur (c’est comme une âme sœur, mais en termes électroniques), les ions PF₆^– croisent des ions Li⁺. Eux aussi se pressent mais leur objectif est opposé à celui des romantiques PF₆^–.

Pour cause : les câbles électriques ont mis à leur disposition une armée d’électrons, qui affluent dans le collecteur de l’anode. Leur objectif est directement lié à leur condition d’ions. Pour cause, ils détestent être des ions célibataires. Ils sentent un vide que seul un électron pourrait combler.

Ils déboulent donc tous vers l’anode. Les plus chanceux y rencontrent un électron, avec qui ils partagent un petit nid douillet au sein de l’anode.

Ce confort est inespéré, ils ne le quitteront sous aucun prétexte. Par malchance, les électrons sont moins fidèles. Mais les ions lithium le réaliseront très bientôt.

La valse que je viens de décrire ne dure qu’un temps.

Car rapidement, la cathode est saturée en trous d’électrons, et l’anode est saturée en ions lithium. Rien ne sert alors de rester connecté au réseau domestique : le condensateur lithium-ion est pleinement chargé.

À ce moment, on pourrait tout arrêter.

On pourrait décider de laisser le condensateur lithium-ion et les ions qui le composent dans l’équilibre qu’ils ont trouvé. Mais ça n’aurait aucun sens. Car le but de ce condensateur est de stocker de l’électricité pour alimenter un moteur.

Faisons donc ça.

Branchons un moteur au condensateur lithium-ion et voyons ce qui survient.

La décharge des condensateurs lithium-ion

Un cataclysme.

La tempête est immense. Mais le moteur tourne :

Pour résumer ce qu’il vient de se passer, une phrase me vient à l’esprit :

« Ce qui devait arriver arriva. »

Tout est parti de la cathode parcourue de trous qui ne demandaient qu’à être comblés par des électrons. Et vous savez aussi bien que moi que l’anode était beaucoup trop saturée en électrons. Ça ne pouvait pas rester ainsi indéfiniment.

Alors voilà ce qu’il s’est passé.

Les électrons logés dans l’anode se sont jetés dans le collecteur en cuivre, trop attirés par la cathode. Dans leur fuite, ils ont laissé une armée d’ions lithium orphelins, qui n’ont plus eu d’autre choix que de plonger dans l’électrolyte.

Ils ont ainsi retrouvé leur condition d’ions incomplets, perdus dans l’immensité de l’électrolyte.

Mais ils n’ont pas été les seuls lésés. Car de l’autre côté, du côté de la cathode, les électrons ont afflué, remplissant les trous par centaines. Le problème, c’est que les ions PF₆^– sont très peu friands d’électrons. Leur charge négative des électrons est même un repoussoir pour eux.

Si bien que les ions PF₆^–, eux aussi, se sont vus contraints de retourner dans les eaux profondes de l’électrolyte. Voués à errer, déboussolés, dans l’attente d’un miracle.

Comme toute catastrophe naturelle, le cataclysme a néanmoins fini par se calmer.

L’anode s’est vidée de ses électrons, la cathode s’est remplie. Le moteur a tourné, tourné, et tourné encore. Ça ne fait aucun doute, il a brûlé la chandelle par les deux bouts. Mais la fête a fini par s’arrêter.

Maintenant, il ne tourne plus.

Car le condensateur lithium-ion est déchargé, aussi sec qu’un CamelBak après quarante jours de désert.

La seule issue : le recharger. Pour mettre une nouvelle pièce dans le juke-box et relancer la valse des électrons et des ions.

Le fonctionnement théorique d’un supercondensateur vs. en pratique

À ce point de notre étude, vous pouvez nous gargariser.

Car vous faites maintenant partie des rares initiés qui savent comment fonctionne un condensateur lithium-ion. Ce n’est pas rien. Et je vous garantis que si beaucoup de monde en parle, peu nombreux sont ceux qui savent vraiment de quoi il en retourne.

Et puis objectivement, vous aurez noté comme moi que leur fonctionnement est déroutant.

Car les deux électrodes fonctionnent séparément. C’est comme si on avait pris une moitié de batterie lithium-ion et qu’on y avait collé une autre moitié de supercondensateur. Et qu’on leur avait donné pour seule consigne de se débrouiller.

Cette manière de procéder, par électrodes dites « asymétriques », est assez peu commune dans les technologies de stockage électrique.

Mais voilà, ça a l’air de marcher comme ça.

La morale de cette histoire est donc très éclairante : quelques fois, ce ne sont pas les équipes les plus soudées qui remportent la victoire.

Quelle belle leçon ! On se croirait aux Etats-Unis. Ou alors au PSG. C’est émouvant.

Et c’est par cette sage parole que j’aimerais clôturer cette première partie, qu’on pourrait appeler « la partie de l’enthousiaste ».

La raison d’un tel nom ?

Très simple : nous nous sommes pour le moment contentés d’évoquer le fonctionnement théorique des supercondensateurs. Ça permet de créer beaucoup d’enthousiasme car tant qu’on reste dans un monde théorique, on peut faire des merveilles.

Jusqu’à ce qu’on se fasse rattraper par la réalité, dure et sévère.

Elle nous retient par le bras, car elle en a vu d’autres. Et elle pose la question qui nous terrorise tous :

« D’accord, c’est très bien ton supercondensateur. Mais dans la vraie vie, ça ressemble à quoi ? »

Les supercondensateurs dans la vraie vie

J’aime la mécanique car elle est inflexible.

C’est d’ailleurs la plus belle définition de la mécanique : comprendre la réalité dans son inflexibilité, et arrêter avec les idées nuageuses qui ne fonctionneront jamais. Alors faisons un peu de mécanique, et voyons à quoi ressemblent les supercondensateurs dans la vraie vie.

La première question à élucider est dans leur matérialité.

Car pour passer de l’idée à la réalité, il faut bien utiliser des matériaux à un moment ou à un autre. Sans quoi, on reste dans les spéculations. Et je n’ai pas le temps pour ça.

Alors embrayons, et tâchons de trouver de quoi sont faits les supercondensateurs.

Les matériaux qui constituent la chair d’un supercondensateur

On sait que les supercondensateurs sont composés de deux électrodes et d’un électrolyte.

Soyons donc méthodiques, et épluchons ces 3 composants les uns après les autres. À commencer par la cathode, car il faut bien se résoudre à entamer le gâteau quelque part.

La composition de la cathode, un acteur à grand enjeu (évidemment)

Si vous vous souvenez bien, vous savez que la cathode (ou plutôt l’électrode positive) est l’électrode que nous avons empruntée aux supercondensateurs EDLC.

Les qualités qu’elle doit démontrer sont assez simples à deviner au regard de son fonctionnement :

• Elle doit avoir une grande capacitance (c’est-à-dire une grande aptitude à stocker des charges électriques) ;
• Ce qui est directement proportionnel au nombre d’ions qui s’adsorbent (avec un « d », rappelez-vous) et qui se désadsorbent de la double couche à la surface de l’électrode ;
• Ce nombre étant lui-même proportionnel à la surface de l’électrode, au volume des pores dans l’électrode et à la distribution de ces pores.

La recherche du matériau idéal à l’usage de la cathode est donc essentiellement focalisée sur les matériaux poreux.

Et d’après quelques études^{[10] [7]}, les matériaux candidats sont assez nombreux :

• Il y a le carbone activé, qui est un carbone parcouru de petits pores ;
• Il y a aussi le graphène, qui est un matériau à base de carbone, lui aussi traversé de pores ;
• Sans oublier les nanotubes de carbone, formés par des millions de tubes de carbone.

On compte aussi les cathodes en matériaux bifonctionnels qui ont la particularité d’être un savant mélange entre une électrode de batterie et une électrode de supercondensateur. Mais c’est déjà bien assez difficile comme ça, et les 3 matériaux que j’ai cités au-dessus sont largement majoritaires.

Vous l’aurez certainement noté comme moi, tous les matériaux candidats sont en carbone.

C’est un détail de taille, car ça implique l’utilisation d’une ressource fossile telle que le graphite (graphène et nanotubes) ou le charbon (carbone activé). Et ça rappelle que toutes les technologies que l’on produit, aussi vertes soient-elles, ont besoin de consommer des matières premières.

Mais ce n’est pas le sujet.

Car pour le moment, il faut bien qu’on fabrique l’anode de notre supercondensateur.

La composition de l’anode, un acteur pas moins important (ça va de soi)

Contrairement à la cathode, l’anode n’a pas pour rôle de stocker de la charge électrique.

Elle, elle doit pouvoir stocker des ions. Et ce talent est proportionnel à sa conductivité électrique et le nombre de cavités qu’elle possède pour y accueillir des ions.

Selon une étude^[10], cette mission peut être remplie par trois types de matériaux :

• Les matériaux d’insertion tels que le graphite, le carbone dur, les oxydes de titanes (TiO₂), le titanate de lithium (Li₄Ti₅O₁₂ – autrement appelé LTO pour Lithium Titanate Oxyde), et le pentoxyde de niobium (Nb₂O₅) ;
• Les matériaux alliés tels que le silicium, l’étain, et les composites à base d’étain ;
• Et les matériaux de conversion comme le tétroxyde de trifer (Fe₃O₄), l’oxyde de cobalt (CoO), le disulfure de molybdène (MoS₂) et le dioxyde de manganèse (MnO₂).

Moi non plus, je n’en connais pas la moitié.

Mais un article cité plus haut^[7] m’a permis d’y voir plus clair. Car selon elle, ce sont les électrodes LTO et les électrodes en graphite qui sont les plus utilisées.

C’est l’information que je cherchais.

Merci, au revoir.

Au suivant.

La composition de l’électrolyte, un acteur nécessaire (qui l’eut cru ?)

Là, les possibilités sont assez resserrées.

Puisque comme nous l’avons vu plus haut, l’électrolyte doit être composé d’un sel de lithium (Li₂SO₄ ou du LiPF₆) dissout dans un solvant aqueux (de l’eau donc) ou organique (qui contient des atomes de carbone).

Si on ajoute les feuilles d’aluminium et de cuivre qui servent de collecteurs, notre supercondensateur ressemble à ça :

Nous avons donc fait la moitié du chemin.

Nous savons de quoi est constitué le supercondensateur qui révolutionnera la mobilité (je vais peut-être un peu vite en besogne sur le coup, on verra ce qu’il en est dans quelques paragraphes), mais nous ne l’avons pas encore entre nos mains.

Car pour le moment, ce que nous avons étudié n’est qu’une toute petite partie de supercondensateur, puisque c’est seulement une modélisation théorique de son fonctionnement. Ce n’est pas le supercondensateur en lui-même.

On sait donc ce qu’il nous reste à faire.

L’empilement de cellules pour former un supercondensateur

Si vous n’avez pas lu mon article sur les batteries lithium-ion, il est probable que cette partie vous sonne un peu.

Car nous allons voir qu’au même titre que les batteries au lithium, le supercondensateur (et le condensateur lithium-ion en particulier) repose sur un assemblage très archaïque. Ce qui colle assez peu avec son image de technologie pourvoyeuse d’une myriade d’étoiles dans vos yeux.

Mais c’est ainsi, les coulisses des plus belles technologies sont rarement aussi brillantes que ce qu’on voudrait.

Alors je me lance : les supercondensateur ne sont qu’un empilage de piles telles qu’on pourrait en trouver à Auchan.

Voilà, c’est dit.

Ces piles peuvent prendre plusieurs formes (cylindrique, poche, prismatique), et on les appelle « cellules ». Pour remuer le couteau dans la plaie, voilà à quoi ressemble un supercondensateur quand on l’a éventré :

Mais ce n’est pas tout.

Car l’intérieur de ces cellules est le fruit d’un empilage tout aussi archaïque^[11], façon lasagnes.

L’image suivante est l’illustration de cette nouvelle déception, où on y voit toutes les couches qu’on a évoquées plus haut (cathode, anode, électrolyte, séparateur, collecteur) :

Il ne reste alors qu’à intégrer ces pyramides de piles dans une carcasse un peu jolie, pour donner le change.

Et là, les constructeurs ne manquent pas d’imagination. Ils ont bien compris que l’esthétique extérieure devait être alignée avec l’image révolutionnaire des supercondensateurs.

Mais maintenant que nous savons ce qu’il en est, nous ne sommes plus dupes.

Tant mieux. Car dissiper la magie, comme nous venons de le faire, permet de révéler les vraies questions que nous devons nous poser sur les supercondensateurs.

Ces questions sont nombreuses.

Par exemple, est-ce que leur impact environnemental ne souffre pas de la comparaison avec celui des batteries lithium-ion ?

Et quid de son prix ?

Et puis a-t-on vraiment besoin de supercondensateurs ?

Autant de questions auxquelles je vais répondre dans cette dernière partie, où je mets les supercondensateurs au vrai révélateur. Celui de l’ingénieur qui se demande s’il en intègre un dans le véhicule électrique qu’il conçoit.

Le supercondensateur dans les véhicules électriques

En réalité, les questions auxquelles je dois répondre se résument en une seule : est-ce que je dois mettre un supercondensateur sur ma moto électrique ?

Ou dit autrement : est-ce que les supercondensateurs sont plus pertinents que les batteries lithium-ion dans les véhicules électriques ?

C’est une question très complexe.

Car elle m’oblige à vérifier avec une rigueur intraitable que les supercondensateurs sont meilleurs que les batteries lithium-ion sur un grand nombre de points. Pour cause, les véhicules électriques ne peuvent pas être réduits à un seul critère tel que l’autonomie ou la puissance.

Et plus précisément, je crois qu’un véhicule électrique doit répondre favorablement à 5 critères :

• De bonnes performances ;
• Une réponse pertinente à un usage ;
• Un design maîtrisé ;
• Un prix contenu ;
• Et un impact environnemental exemplaire.

Cette grille me convient très bien ici.

Car elle me permettra d’arbitrer le match qui se joue entre les batteries lithium-ion et les supercondensateurs à l’usage des véhicules électriques. Et à la fin, je saurai si oui ou non, ma première moto électrique sera équipée de cette belle technologie.

Tant que j’y pense : si vous voulez en savoir plus sur la conception de ma moto électrique, je vous suggère de vous inscrire à mon journal de bord. Vous pourrez ainsi suivre les avancées de mon prototype. J’espère que ça vous plaira !

Les performances : densité énergétique et densité de puissance

Sur ce premier point (et si on en croit la littérature scientifique), les supercondensateurs ont une solide avance.

Ou plutôt les condensateurs lithium-ion, comme nous l’avons vu plus haut.

Puisque selon un article que j’ai déjà cité^[7], le condensateur lithium-ion garantit une densité énergétique équivalente à celles des batteries lithium-ion et une densité de puissance largement supérieure.

Autrement dit : égalité en autonomie puis victoire en recharge, ça équivaut à une victoire pour les condensateurs lithium-ion.

Certes.

Mais ça, c’est selon la littérature scientifique. Et quelques fois, il y a un fossé entre la science et l’industrie.

Or jusqu’à preuve du contraire, les véhicules électriques ont une vocation grand public. Ce ne sont donc pas les chiffres des articles scientifiques qui doivent compter ici, mais ceux des fabricants de supercondensateurs.

Alors, ils en disent quoi, eux ?

D’abord, « eux », ils ne sont pas nombreux. Mais il y a par exemple Licap, qui parle des chiffres suivants concernant ses cellules :

• Une densité de puissance de 3,167 kW/kg (contre 2,3 kW/kg pour une cellule de batterie lithium-ion^[12], ce n’est pas non plus infiniment supérieur) ;
• Et une densité d’énergie entre 8,9 Wh/kg.

Il y a aussi une entreprise française sur la brèche. Vous avez sans doute entendu leur nom au détour d’une conversation au sujet de la mobilité électrique : Nawa Technologies.

Leur spécialité, pour le moment, c’est de fabriquer les électrodes de supercondensateurs. Et leur particularité réside dans la polyvalence de leurs électrodes, puisqu’on peut les intégrer de manière indifférenciée autant dans des supercondensateurs EDLC que des condensateurs lithium-ion.

L’entreprise donne des chiffres légèrement moins gourmands que ceux qu’on trouve dans les articles scientifiques :

• Des cellules avec une densité de puissance jusqu’à 100 kW/kg ;
• Et une densité d’énergie entre 8 et 10 Wh/kg (sachant qu’à termes, ils espèrent dépasser 25 Wh/kg).

Quand on sait que les cellules de batteries lithium-ion affichent une densité énergétique supérieure à de plusieurs centaines de Wh par kg, on réalise que les condensateurs lithium-ion ont encore du chemin avant d’être à égalité.

Alors quoi ?

Alors l’industrie n’est pas encore au même niveau que la recherche. Car force est de constater que pour avoir une même capacité d’autonomie qu’une batterie, les condensateurs lithium-ion de Licap et de Nawa devraient peser 50 fois plus lourd.

50 fois, c’est beaucoup.

Un peu trop.

Ce qui ne laisse aujourd’hui qu’une seule solution : équiper les véhicules électriques d’un supercondensateur (quelle que soit leur famille – EDLC, pseudo ou hybride) et d’une batterie, pour les faire fonctionner ensemble.

Le supercondensateur s’occupe de fournir de la puissance sur les accélérations pendant que la batterie n’est là que pour garantir de l’autonomie. Des acteurs comme K-Motors travaillent sur le sujet, et semblent avoir des résultats probants.

Quoi qu’il en soit, force est de constater que la technologie est aujourd’hui encore trop immature pour concurrencer les batteries lithium-ion.

Cependant, ça ne doit pas nous empêcher d’étudier les 3 autres axes (usage, prix et impact environnemental). Car si les supercondensateurs s’avèrent pertinents sur ces points, ça impliquerait un futur très prometteur.

L’usage : a-t-on besoin de tant de puissance ?

Il y a un intérêt probant à avoir cité précisément les différentes densités de puissance et d’énergie pour les supercondensateurs et les batteries lithium-ion.

C’est qu’on a bien intégré la supériorité des supercondensateurs en termes de densité de puissance.

En effet, leur densité de puissance est entre 37% (pour les cellules Licap) et 4250% (pour les cellules Nawa) supérieure à celle des cellules de batteries lithium-ion.

Les conséquences de cette supériorité sont doubles :

• Les véhicules électriques alimentés par supercondensateur ont une plus grande capacité d’accélérations fulgurantes (car la puissance fournie est généreuse) ;
• Et leur temps de recharge est sévèrement réduit (Nawa parle même d’un temps de 5 minutes pour recharger à 80% une voiture électrique de 1000 km d’autonomie).

Ces promesses sont évidemment très séduisantes.

Mais il faut questionner leur pertinence pour répondre aux usages des automobilistes et des motards. Car je ne vous l’apprends pas, mais la qualité d’un véhicule se définit essentiellement à sa capacité à répondre parfaitement à l’usage de son propriétaire.

Commençons par une catégorie des véhicules que je connais bien : les motos.

Selon une étude nationale menée en 2012^[13] par le Service de l’Observation et des Statistiques, les motards roulent en moyenne entre 2 289 et 4 459 km par an, selon leur catégorie de permis.

Sachant que 71,7% d’entre eux utilisent leur moto au moins une fois par semaine, on peut donc estimer que leur trajet moyen est inférieur à 86 km.

Autrement dit, dans un usage quotidien, le besoin d’autonomie d’un motard est très faible.

Avec 150 km d’autonomie (comme garanti par la plupart des motos électriques), il peut parfaitement rouler au jour le jour sans craindre la panne sèche. Sans compter qu’à l’inverse des motos thermiques, le motard peut charger sa moto électrique la nuit au garage.

Le temps de recharge n’est donc pas un critère critique.

Dès lors, le bénéfice d’intégrer un supercondensateur aux motos électriques n’est pas si évident. On peut parfaitement se contenter de ce que proposent les motos électriques déjà disponibles sur le marché, fonctionnant avec des batteries lithium-ion.

En revanche, si la moto est plus orientée vers les longs trajets, la recharge extrêmement rapide est beaucoup plus profitable. Car elle permet de s’affranchir de l’autonomie limitée des motos électriques sans sourciller.

C’est d’ailleurs l’argument principal des supercondensateurs dans les voitures électriques.

Pour cause, celles qu’on trouve aujourd’hui peinent à dépasser les 500 km d’autonomie. En tant qu’usager, on craint donc beaucoup plus les longs voyages de départ en vacances. Et les 25 minutes de temps de recharge que promet la Model 3 sur les bornes rapides semblent encore trop longues.

Ce qui me fait penser que si les supercondensateurs ne sont pas encore pertinents pour équiper les motos électriques, ils le sont beaucoup plus pour alimenter les voitures électriques.

Car ils répondent à leur plus grande faiblesse : la faible autonomie lors des longs voyages.

Le prix : combien coûte un supercondensateur ?

Sur ce point, la réponse est contrastée.

Pendant tout cet article, j’ai essentiellement étudié les condensateurs lithium-ion (qui appartiennent à la famille des supercondensateurs hybrides). La raison : ce sont eux qui semblent concentrer les plus grands espoirs.

Mais nous l’avons vu il y a quelques minutes, leurs performances sont encore trop faibles pour être pertinentes.

Et ils ne pèchent pas seulement en termes de performances, puisque leur prix aussi est rédhibitoire : selon cette étude menée en 2019^[14] (ça a donc peut-être changé), leur prix est 70 fois supérieur à celui des batteries lithium-ion.

Il serait intéressant de connaître les prix des fabricants que j’ai cités plus haut (Licap et Nawa Technologies) pour vérifier ce chiffre. Mais ils ne sont malheureusement pas communiqués au grand public.

Quoi qu’il en soit, la technologie est encore très jeune.

Les capacités de production sont encore trop faibles face à la machine industrielle intraitable qui fabrique les batteries lithium-ion.

Mais comme nous l’avons conclu quand nous avons évoqué les performances des supercondensateurs, il y a d’autres alternatives aux condensateurs lithium-ion. Comme l’hybridation entre une batterie lithium-ion et un supercondensateur.

Et cette hybridation a beaucoup de sens pour une adoption rapide des supercondensateurs.

Car s’ils sont toujours extrêmement chers (10 000$/kWh selon cette étude^[15]), ils ne sont utilisés qu’en complément de la batterie lithium-ion. On se moque donc d’avoir beaucoup de kWh de capacité, on veut qu’ils nous aident à injecter de la puissance lors des accélérations.

Le prix au kWh n’est alors plus un obstacle si notre véhicule électrique est équipé avec un supercondensateur de quelques centièmes de kWh.

Mieux, cette étude^[16] estime que grâce à la réduction des coûts de maintenance permis par l’ajout d’un supercondensateur, la solution de l’hybridation supercondensateur/batterie lithium-ion coûte 12% de moins sur toute sa durée de vie.

Tout ça n’est évidemment que spéculatif, car seule la pratique réelle comptera.

Mais c’est une preuve supplémentaire que dans un certain usage, les supercondensateurs (hybridés avec une batterie) sont à la fois performants et peu coûteux.

C’est donc un bon point de plus.

Reste à savoir ce qu’il en est de leur impact environnemental. Car s’il y a bien un domaine où les solutions de stockage électrique doivent être exemplaires, c’est celui-là.

L’impact environnemental d’un supercondensateur : trop peu de littérature

Ce dernier axe est le point noir de ma recherche.

Car je n’ai trouvé aucun papier faisant une analyse de cycle de vie comparative entre les supercondensateurs et les batteries lithium-ion. Alors que pourtant, c’est bien la comparaison entre ces deux technologies qui doit nous guider vers le meilleur choix.

En cherchant bien, j’ai néanmoins trouvé quelques informations intéressantes.

Par exemple, une étude^[17] a examiné les émissions de gaz à effet de serre relâchées lors de la production de condensateurs lithium-ion. Son objectif : observer les bénéfices d’utiliser des matériaux recyclés.

Et leurs résultats, sans trop de surprise : il faut utiliser des matériaux recyclés pour produire les condensateurs lithium-ion car ça réduit de 18% les émissions de gaz à effet de serre.

Champagne, nous voilà ravis de cette nouvelle.

Il y a aussi une autre étude^[18] qui a analysé les impacts environnementaux de supercondensateurs au graphène et au carbone activé.

Selon leur conclusion, le supercondensateur au graphène est plus nocif que le supercondensateur au carbone activé, tant en termes :

• D’acidification des océans ;
• D’émissions de gaz à effet de serre ;
• D’écotoxicité aquatique ;
• D’eutrophisation terrestre ;
• D’émissions de particules fines ;
• De consommation d’eau ;
• Et d’épuisement des ressources minières et fossiles.

Autrement dit : le graphène n’a pas la cote.

Mais ils proposent des scénarios qui permettraient au graphène de gagner en vertu en améliorant ses propriétés techniques et en réutilisant l’acide sulfurique qui semble nécessaire à sa production.

Quoi qu’il en soit, même si ces deux études sont utiles (il faut utiliser des matériaux recyclés et éviter le graphène dans l’état actuel des choses), on manque d’éléments tangibles.

Car je veux savoir si oui ou non, les supercondensateurs sont plus pertinents que les batteries lithium-ion sur le plan écologique.

Et pour le moment, personne n’y répond.

Alors oui, on a des débuts de réponse.

Par exemple, Nawa Technologies nous assure que la durée de vie de leur condensateurs lithium-ion est jusqu’à 5 fois plus longue^[19] que ce qu’on trouve ailleurs.

C’est très beau, car on sait à quel point la production des batteries lithium-ion est coûteuse écologiquement. Multiplier la durée de vie par 5 reviendrait alors certainement à réduire l’impact par 5.

Mais aucune étude n’est venue confirmer cette règle de 3.

D’autant que pour le moment, force est de constater que les condensateurs lithium-ion ne peuvent pas alimenter à eux seuls un véhicule électrique. Ce qui les force à être adossés à une batterie lithium-ion, qui a elle-même un lourd impact environnemental.

En sommes, rien de très concret.

Et rien d’assez satisfaisant pour se prononcer sur une supériorité des supercondensateurs sur ce sujet.

Voilà. Vous venez de comparer les supercondensateurs et les batteries lithium-ion. Alors concrètement, on en en fait quoi maintenant ?

Oui au supercondensateur, mais je demande à en savoir plus

Si je dois faire un bilan de l’analyse comparative à laquelle je viens de procéder, voilà le tableau qui se dresse devant mes yeux :

• Performances : les condensateurs lithium-ion ne sont pas assez performants en termes de densité énergétique, ce qui nous contraint à les associer à une batterie lithium-ion pour assurer de l’autonomie ;
• Usage : pour les voitures électriques, les supercondensateurs me paraissent pertinents – c’est moins le cas pour les motos électriques ;
• Prix : si on se contente d’utiliser la juxtaposition d’un supercondensateur et d’une batterie lithium-ion, le prix est très intéressant ;
• Impact environnemental : pas assez de matière pour se faire un avis.

Autrement dit, il me semble que si les supercondensateurs ont un sublime avenir devant eux, il leur manque encore quelques ingrédients pour se démocratiser.

On en saura certainement plus dans les prochaines années, quand Nawa Technologies aura réussi à s’industrialiser.

Mais d’ici là, ça me fait une certitude.

C’est que ma première moto électrique ne sera pas alimentée par un supercondensateur. Car j’ai besoin d’une solution viable et performante dès maintenant, et force est de constater que ce n’est pas encore le cas de cette technologie prometteuse.

Après avoir étudié les batteries lithium-ion, les piles à combustibles et les supercondensateurs, c’est donc toujours les premières citées qui gardent mes faveurs.

Reste une dernière alternative plausible : les batteries sodium-ion.

Je n’ai pas encore tranché. Mais ce qui est sûr, c’est que les premiers au courant seront les lecteurs de mon journal de bord.

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