Nawa Technologies : comment fonctionne leur supercondensateur ?

Tout le monde parle de Nawa Technologies, mais seules quelques personnes comprennent ce que l’entreprise française fait vraiment. À la fin de cet article, vous ferez partie de ces quelques personnes.

Julien Vaïssette

Fanatique d'Excel, adepte de Camus & ingénieur en mécanique ・ Suivez la conception de mon prototype de moto électrique en cliquant ici.

nawa technologies

Nawa Technologies arrive sur le marché de la mobilité électrique à un moment charnière. Car les véhicules actuels présentent un défaut majeur qui risque de les tuer avant même qu’ils se soient démocratisés.

Ce défaut, c’est leur autonomie.

En effet, le stockage électrique par batteries est désespérément en retard sur ce que les véhicules thermiques garantissent. Si bien qu’aujourd’hui, de nombreux usagers craignent de passer à l’électrique à cause de l’autonomie trop faible qui leur est proposée.

C’est ici que Nawa Technologies intervient, avec leurs supercondensateur.

Leur promesse : dans quelques années, vous pourrez charger à 80% une voiture électrique avec une autonomie de 800 km en 5 minutes.

La plupart des commentateurs se réjouissent de cette prouesse, qui serait permise par la technologie de supercondensateur que Nawa Technologies s’apprête à commercialiser.

Sauf qu’il y a un hic.

C’est que l’entreprise Nawa Technologies n’est pas spécialisée dans les supercondensateurs. Leur vrai apport, c’est leur électrode.

Et ça fait une grande différence, à côté de laquelle tout le monde est passé à côté.

Je m’inclue dans le lot, car jusqu’à ce que je me décide à étudier pour de bon les supercondensateurs, je croyais que Nawa Technologies était un fabricant comme un autre.

Il n’en est rien.

Et c’est ce que vous allez découvrir dans cet article.

Nawa technologies fabrique des électrodes de supercondensateurs

Si Nawa Technologies fait beaucoup parler d’elle, ce n’est pas seulement pour la technologie qu’elle a développée. C’est en effet une entreprise qui a une histoire qui ne peut que séduire – et il est bon de faire connaissance avec elle avant d’aller plus en détail dans leur technologie.

Une entreprise Provençale pour révolutionner le stockage électrique

En apparences, Nawa Technologies est une jeune entreprise.

Sa date de naissance officielle remonte seulement à 2013.

Mais comme souvent dans les odyssées technologiques, la date de naissance officielle ne coïncide pas avec la date de naissance officieuse. Car quand on a l’ambition de bouleverser l’industrie du stockage électrique comme Nawa Technologies, on ne peut pas se permettre d’arriver en dilettante.

On doit avoir une connaissance très solide des technologies actuellement disponibles.

On doit avoir emmagasiné un savoir très précis sur la technologie qui nous semble prometteuse à développer.

Et on doit avoir acquis les compétences nécessaires à son développement.

Dans le cas de Nawa Technologies, la technologie a un rapport avec les supercondensateurs.

Pour porter un tel projet, il faut être équipé solidement tant en génie électrique qu’en génie physique. Car les supercondensateurs ont la particularité de répondre à une problématique de stockage électrique à l’aide des propriétés physiques de certains matériaux très précis.

Mais ça, nous le verrons dans la suite de cet article.

Pour le moment, contentons-nous de réaliser que pour accoucher de Nawa Technologies, il fallait avoir les pieds dans deux mondes extrêmement spécifiques.

Et par chance, c’était le cas de Pascal Boulanger, diplômé d’une thèse de physique (en acoustique plus précisément) et doté d’une expérience de 15 ans en tant que responsable de projets recherche au CEA (le Commissariat à l’Energie Atomique).

Ça en impose forcément.

Plus haut, je disais que Nawa Technologies était une jeune entreprise. Et je précisais que c’était en apparences.

Pour cause, si elle est née en 2013, Pascal Boulanger a eu l’idée de son entreprise 4 ans avant sa naissance (en 2009), en s’appuyant sur son expérience acquise pendant 15 ans au CEA et de sa thèse.

Steve Jobs parlait de « connecter les points » entre nos différentes expériences pour aboutir à un produit qui n’existerait nulle part ailleurs. Avec Nawa Technologies, Pascal Boulanger illustre parfaitement ce conseil.

La suite entrera peut-être dans la légende.

D’abord parce qu’il a su attirer la lumière en restant loin de Paris, puisque Nawa Technologies est domicilié à Aix-en-Provence. C’est rare, et il est bon de le souligner.

Ensuite parce qu’il a levé 9 millions d’euros puis 13 millions d’euros, ce qui illustre la confiance que lui accorde le marché.

Et enfin parce qu’il s’est très bien entouré, en collaborant avec des laboratoires de recherches et en recrutant des pointures à son comité de direction.

En somme, Nawa Technologies est une vraie entreprise technologique qui maîtrise son histoire, sa communication et ses compétences. Une vraie start-up qui aurait pu figurer dans le Next 40, le French Tech 120 ou le Up Coming 80, sans sourciller.

Maintenant, on connaît mieux Nawa Technologies. Bravo à eux pour leur parcours.

Mais il s’agirait aussi de comprendre leur technologie.

C’est certes un peu complexe, mais c’est hautement nécessaire pour assimiler les enjeux auxquels ils répondent. Sans compter que ça permet aussi de déceler les défis auxquels ils ferontt face dans les prochaines années (et vous le constaterez, ils sont nombreux).

Quand on commence à chercher, on tombe déjà sur une première surprise.

C’est que, contrairement à ce qu’on peut lire, Nawa Technologies n’est pas spécialisée dans les supercondensateurs. L’entreprise française est en réalité la promotrice d’une certaine technologie d’électrodes de supercondensateurs.

C’est une différence majeure.

Mais avant de découvrir en quoi c’est une différence majeure, vous devez comprendre ce qui fait la spécificité des supercondensateurs.

Les supercodensateurs, une grande famille

Il en existe de 3 types :

  • Les supercondensateurs à double couche ;
  • Les pseudo-supercondensateurs ;
  • Et les supercondensateurs hybrides.

J’ai décrit beaucoup plus en détail le fonctionnement de ces supercondensateurs dans cet article.

Mais ce qu’il faut retenir, c’est que les supercondensateurs les plus utilisés aujourd’hui sont ceux de la première famille. On les appelle le plus souvent EDLC, pour « Electrostatic Double Layer Capacitor ».

D’ailleurs, ce sont ces supercondensateurs qui ont fait connaître Nawa Technologies en premier lieu.

Quant à leur fonctionnement, il est très différent de ce qu’on trouve sur les batteries.

En effet, les supercondensateurs EDLC fonctionnent grâce à une concentration d’électrons sur une électrode et de trous sur l’autre électrode (pour simplifier, disons que les trous sont des électrons positifs).

Cette concentration dépend de la capacitance des électrodes : plus leur capacitance est grande, plus elles cumuleront d’électrons et de trous. D’où le terme de « supercapacitor » en anglais, que l’on traduit par supercondensateur.

L’idée est alors d’utiliser cette propriété en plongeant les électrodes dans un électrolyte.

Et cet électrolyte est simplement un liquide (quelques fois un solide, mais peu importe) dans lequel on a versé des ions. La conséquence de l’accumulation d’électrons et de trous dans les électrodes est que les ions qui se promènent dans l’électrolyte sont attirés vers la surface des électrodes :

  • Les ions positifs sont attirés par les électrons (négatifs) ;
  • Tandis que les ions négatifs sont attirés par les trous (positifs).

Si bien que rapidement, une couche d’ions positifs s’agglutine en face de l’électrode où les électrons sont concentrés, pendant qu’une couche d’ions négatifs se forme en face de l’autre électrode. D’où le qualificatif de double couche.

On voit en effet apparaître 2 doubles couches se former, à l’interface de chaque électrode avec l’électrolyte :

supercondensateurs organisation spontanee double couche

Le schéma ci-dessus illustre l’état d’équilibre du supercondensateur EDLC (de la première famille donc).

Il reste donc à brancher les deux électrodes au courant électrique, pour le charger. On gonfle alors l’électrode de droite en électrons, pendant que l’électrode de gauche se remplit de trous.

Cet afflux d’électrons et de trous attire encore plus d’ions à la surface des électrodes, densifiant les doubles couches. Et ce jusqu’à saturation des électrodes et des doubles couches.

On dit alors que le supercondensateur est pleinement chargé.

L’objectif est alors d’amasser un nombre aussi grand que possible d’ions, d’électrons et de trous afin de stocker une grande quantité de puissance. Et nous verrons par la suite que les électrodes de Nawa Technologies excellent dans ce domaine.

supercondensateur accumulation charges électrostatiques

La suite, vous la connaissez : on branche les deux électrodes à un moteur.

L’électrode de droite, étant saturée en électrons, ne demande qu’à se vider pour retrouver son état d’équilibre, tandis que l’électrode de gauche est demandeuse d’électrons.

Ces derniers quittent donc l’électrode de droite, passent par le moteur pour le faire tourner et se retrouvent dans l’électrode de gauche, comblant les trous. Car oui, un trou n’est rien d’autre qu’une absence d’électron qui ne demande qu’à être remplie.

Cet échange de bons procédés nous arrange bien, car il fait tourner notre moteur électrique.

Jusqu’à ce que les deux électrodes aient retrouvé leur état d’origine. À ce moment-là, le supercondensateur sera déchargé, prêt à faire le plein.

Supercondensateur moteur

Nous en savons donc plus maintenant sur le fonctionnement des supercondensateurs EDLC, les plus communs sur le marché.

Ce qui amène immédiatement à la question suivante : pourquoi diable est-ce que les supercondensateurs de Nawa Technologies font la une des journaux ?

Pourquoi les supercondensateurs concentrent-ils tant d’espoir ?

La raison d’être des supercondensateurs et donc de Nawa Technologies peut se résumer en un diagramme, qu’on appelle « diagramme de Ragone ».

L’objectif de ce diagramme, c’est de comparer les différentes solutions de stockage énergétique que nous connaissons, en les questionnant selon deux capacités :

  • Leur capacité à garantir une bonne autonomie, qui est décrite par leur densité énergétique en Wh par kg (unité d’énergie par unité de masse) ;
  • Et leur capacité à se charger et à se décharger vélocement, qui est définie par leur densité de puissance en W par kg (unité de puissance par unité de masse).

Dès lors, pour comprendre l’intérêt des supercondensateurs, il suffit de placer toutes les solutions de stockage énergétique qui s’offrent à nous dans la mobilité sur un diagramme de Ragone (voir les références [1] et [2]) :

Diagramme de Ragone condensateur li-ion

Ce qu’on y observe est criant :

  • Les batteries lithium-ion et les piles à combustibles sont certes performantes en termes d’autonomie, mais elles ne le sont pas du tout en rapidité de charge et de décharge ;
  • Alors que les moteurs à combustion interne sont les champions tant en termes de densité de puissance que de densité énergétique.

Autrement dit, les deux technologies actuelles de stockage énergétique utilisées dans la mobilité électrique sont bien en-dessous des moteurs à combustion interne.

Et c’est une très grosse épine dans le pied des fabricants actuels de véhicules électriques.

Car ce qui convainc les usagers en premier lieu d’investir dans un véhicule électrique, ce n’est certainement pas les primes environnementales ou les discours mélodramatiques. C’est de se rapprocher au plus près des performances qu’ils auraient eues avec un équivalent thermique.

C’est ici qu’intervient Nawa Technologies, et les autres fabricants de supercondensateurs.

Car si on regarde le diagramme de Ragone :

  • On observe bien que les supercondensateurs promettent une densité de puissance proche de celle des moteurs thermiques ;
  • Tandis que les condensateurs li-ion (qui appartiennent aux supercondensateurs hybrides évoqués plus haut) arrivent à allier de très bonnes performances tant en autonomie qu’en charge/décharge.

Quand on observe ce diagramme, il y a de quoi nourrir de l’espoir.

Mais ces diagrammes sont tirés de la littérature scientifique. Et on sait très bien que souvent, les résultats obtenus en laboratoire dépassent largement ceux que l’industrie est capable de produire.

C’est le cas des condensateurs lithium-ion, dont l’industrialisation n’a pas encore été cochée.

En revanche, les autres supercondensateurs tiennent leurs promesses. Et les électrodes produites par Nawa Technologies ne sont pas étrangères à cette réussite. Mais nous le verrons après, la victoire finale des supercondensateurs n’est pas encore garantie.

Avant ça, vous devriez jeter un œil plus précis à l’électrode que produit Nawa Technologies, pour comprendre ce qu’elle a de si spécial.

Quelle est la particularité de l’électrode de Nawa Technologies ?

Même s’ils ont une ligne d’assemblage de supercondensateurs EDLC, Nawa Technologies n’est pas spécialisée dans les supercondensateurs. Leur apport se trouve en réalité dans la technologie d’électrodes qu’ils ont développée.

Pourquoi se spécialiser dans les électrodes ?

Je trouve que ce choix est très intelligent.

Car ils savent très bien que les supercondensateurs EDLC ne sont pas encore exempts de tout défaut. Il suffit de regarder les chiffres de densité énergétique et de densité de puissance que Nawa promet avec ses cellules de supercondensateurs :

  • Elles ont une densité de puissance qui peut aller jusqu’à 100 kW/kg ;
  • Et elles affichent une densité énergétique entre 8 et 10 Wh/kg (ils visent 25 Wh/kg dans quelques années).

En termes de densité de puissance, ça n’a rien à voir avec les quelques 2,3 kW/kg qu’on trouve dans les batteries lithium-ion[3].

Mais à l’inverse, la densité énergétique des supercondensateurs de Nawa Technologies est 50 fois moindre à celle des batteries[4].

Ce qui implique, en termes plus directs, qu’un véhicule électrique qui ne serait alimenté que par un supercondensateur pèserait beaucoup trop lourd. Car son supercondensateur devrait être 50 fois plus lourd qu’une batterie lithium-ion, à autonomie équivalente.

Une solution est alors d’adosser un supercondensateur EDLC à une batterie lithium-ion.

De cette manière, on récupère une capacité d’accélération démesurée permise par le supercondensateur, et on conserve la capacité d’autonomie de la batterie lithium-ion.

Autrement dit, le supercondensateur est aujourd’hui dépendant de la batterie lithium-ion.

C’est pourquoi Nawa Technologies a décidé de s’orienter vers une spécialisation bien plus prometteuse que celle des supercondensateurs : les électrodes de supercondensateurs.

L’intérêt de cette spécialisation est immense.

Elle permet de n’être plus dépendant uniquement de l’explosion des supercondensateurs. Les électrodes que produit Nawa Technologies peuvent en effet s’adapter :

  • Aux batteries (formant des batteries au graphène très performantes) ;
  • Aux supercondensateurs hybrides (comme les condensateurs lithium-ion) ;
  • Et évidemment aux supercondensateurs EDLC.

Forts de ce choix stratégique très pertinent, ils se sont concentrés sur le développement de la meilleure électrode à destination de ces 3 technologies. Et ils semblent avoir trouvé leur bonheur dans les nanotubes de carbone et graphène.

Pour enfin comprendre les électrodes de Nawa Technologies

Le principe des électrodes de Nawa Technologies est assez simple.

nawa technologies nanotubes carbone graphene

Comme vous l’avez lu plus haut, les électrodes de supercondensateur accumulent des électrons et des trous d’électrons au niveau de l’interface avec l’électrolyte. De cette manière, elles attirent les ions qui se trouvent dans l’électrolyte, pour former la double couche.

Les électrodes doivent donc avoir trois grandes qualités :

  • Une capacitance élevée (pour accumuler beaucoup d’électrons) ;
  • Une grande conductivité (pour que les électrons puissent affluer facilement) ;
  • Et une surface de contact avec l’électrolyte généreuse (pour attirer d’autant plus d’ions à l’interface de l’électrode).

Les deux premières qualités sont permises par le bon choix de matériau.

Sur ce point, c’est assez évident. Car on ne fait pas mieux que le carbone et le graphène tant en conductivité qu’en capacitance. Il n’est donc pas étonnant de voir ces deux matériaux dans l’électrode de Nawa Technologies.

Le seul secret qu’ils gardent bien pour eux, c’est le détail de la mixture entre carbone et graphène. Mais je veux bien leur laisser le bénéfice de ce mystère, car c’est d’un niveau de détail non nécessaire à la compréhension de leur électrode. 

Reste la troisième qualité, qui consiste à garantir une grande surface de contact.

Et cette fois, la réponse de Nawa Technologies est géométrique. Ils ont simplement cherché la meilleure des formes géométriques faisable avec leur matériau, afin d’augmenter la surface de contact.

J’imagine qu’ils se sont creusé la tête jusqu’à se rendre compte que planter des tubes comme une pelouse avec ses millions de brins d’herbe était la meilleure solution. De cette manière, les tubes servent de tuyau pour les électrons, et les ions peuvent s’intercaler entre chaque tube.

nawa technologies nanotubes

Avec cette géométrie, ils arrivent à concentrer un nombre extrêmement élevé d’ions et d’électrons.

Mais ce n’est pas tout.

Car non contents de concentrer beaucoup d’ions et d’électrons, ils s’offrent aussi le luxe de leur garantir une fluidité de déplacements qu’on ne trouve pas dans les autres solutions, où les ions et les électrons doivent se faufiler entre les atomes et les molécules.

Avec cette solution, c’est une autoroute qui s’offre à eux.

Et c’est aussi une autoroute qui s’offre à Nawa Technologies, qui a trouvé là une technologie extrêmement performante pour équiper aussi bien les supercondensateurs que les batteries.

Le futur de Nawa Technologies

Nawa Technologies génère un vrai enthousiasme chez les connaisseurs.

Je n’ai d’ailleurs pas une seule conversation avec un acteur de la mobilité électrique sans qu’on ne me parle de Nawa Technologies. Et comme nous l’avons vu dans cet article, ce n’est pas sans raison.

Mais il me semble que l’enthousiasme ne suffira pas à révolutionner la mobilité, et Nawa Technologies en est conscient.

J’en veux pour preuve leur levée de fonds de 13 millions d’euros, censée leur permettre de produire 100 000 cellules de supercondensateurs EDLC par mois.

Leur première cible, contrairement à ce qu’on pourrait croire, n’est pas la mobilité électrique. C’est en réalité l’industrie 4.0, avec l’outillage sans fil et les robots autonomes de chargement. La raison : ces objets n’ont pas besoin d’une autonomie gigantesque.

Ce qui rend le supercondensateur EDLC très pertinent.

Mais chez Nawa Technologies, ils savent qu’ils ne peuvent pas se satisfaire des perceuses sans fil. La mobilité électrique leur tend les bras, à condition de régler quelques problèmes.

Le premier, c’est la densité énergétique.

Ils peuvent y répondre en intégrant leurs électrodes (car pour rappel, ce sont bien les électrodes leur cœur de métier) non pas dans des supercondensateurs, mais dans des batteries au graphène ou dans des condensateurs lithium-ion.

Le deuxième, moins évident, c’est l’impact environnemental.

Car pour l’heure, on s’intéresse beaucoup plus aux performances de ces technologies qu’à leur empreinte écologique. Il faudra bien s’attaquer à ce sujet pour répandre la technologie, d’autant que le graphène n’est aujourd’hui pas exemplaire[5].

Il reste donc du travail à Nawa Technologies pour révolutionner la mobilité électrique et équiper une voiture électrique de 800 km d’autonomie qui se recharge en 5 minutes. Mais j’ai bien envie d’y croire !

Surtout que s’ils y parviennent, je serai probablement leur premier client avec ma moto électrique.

D’ailleurs, si le sujet de la mobilité électrique vous passionne, vous risquez d’être intéressés par ce que nous faisons en ce moment. Nous concevons une moto électrique, avec l’ambition de produire une moto électrique réellement écolo. Pas de greenwashing ni de bullshit marketing.

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On se retrouve de l’autre côté !

Références bibliographiques scientifiques

[1] A. Jagadale, X. Zhou, R. Xiong, D. P. Dubal, J. Xu, et S. Yang, « Lithium ion capacitors (LICs): Development of the materials », Energy Storage Materials, vol. 19, p. 314‑329, mai 2019, doi: 10.1016/j.ensm.2019.02.031.

[2] M. Winter et R. J. Brodd, « What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? », Chem. Rev., vol. 104, no 10, p. 4245‑4270, oct. 2004, doi: 10.1021/cr020730k.

[3] A. Nikolian et al., « Complete cell-level lithium-ion electrical ECM model for different chemistries (NMC, LFP, LTO) and temperatures (−5 °C to 45 °C) – Optimized modelling techniques », International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 98, p. 133‑146, juin 2018, doi: 10.1016/j.ijepes.2017.11.031.

[4] « 2020 cathode materials cost competition for large scale applications and promising LFP best- in- class. Title: performer in term of price per kwh – PDF Free Download ». https://docplayer.net/40681781-2020-cathode-materials-cost-competition-for-large-scale-applications-and-promising-lfp-best-in-class-title-performer-in-term-of-price-per-kwh.html (consulté le avr. 25, 2021).

[5] M. Cossutta, V. Vretenar, T. A. Centeno, P. Kotrusz, J. McKechnie, et S. J. Pickering, « A comparative life cycle assessment of graphene and activated carbon in a supercapacitor application », Journal of Cleaner Production, vol. 242, p. 118468, janv. 2020, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.118468.

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