Qu’est-ce qu’un condensateur lithium-ion ?
Un condensateur lithium-ion est un dispositif de stockage d’énergie qui combine les propriétés d’un condensateur électrique à double couche et d’une batterie au lithium-ion.
En anglais, il est abrégé en LIC car il s’écrit “Lithium Ion Capacitor”, et se distingue du LiB, qui est une batterie lithium-ion.
Par rapport au condensateur électrique à double couche (EDLC), ces condensateurs ont une densité énergétique et une densité de puissance plus élevées que les batteries lithium-ion. En raison de ces différentes caractéristiques, ils sont classés en fonction de leur utilisation.
Utilisations des condensateurs lithium-ion
Les condensateurs lithium-ion sont des matériaux de stockage d’énergie présentant une densité d’énergie et une densité de sortie élevées, ainsi qu’une sécurité et une durabilité excellentes. Ils devraient remplacer les batteries lithium-ion dans les domaines exigeant une puissance élevée, là où les batteries lithium-ion ne conviennent pas. Ils peuvent également être utilisés dans des situations où une densité énergétique est requise, ce que les condensateurs électriques à double couche ne savent pas faire, et dans des applications où des charges à haute température et à haute tension sont appliquées.
Ils présentent d’excellentes caractéristiques de charge et de décharge rapides, de résistance aux températures élevées, de durabilité et de fiabilité, et peuvent être manipulés en toute sécurité. Comme ils peuvent être utilisés de manière stable pendant longtemps, même après des charges et décharges répétées, ils sont considérés pour de nombreuses applications, notamment la production d’énergie photovoltaïque et éolienne, les dispositifs de compensation des chutes de tension instantanées, les machines industrielles et les applications liées à la circulation et aux véhicules.
Les condensateurs lithium-ion ont également été envisagés comme source d’énergie pour les véhicules électriques, mais leur densité énergétique est inférieure à celle des batteries lithium-ion et ils sont moins performants en termes d’autonomie de croisière. Ainsi, ce sont les batteries lithium-ion qui sont principalement utilisées pour les véhicules électriques. Toutefois, les condensateurs lithium-ion sont supérieurs aux batteries lithium-ion en termes de rapidité de charge et de décharge, et leur utilisation est donc envisagée dans les véhicules à itinéraire fixe, tels que les tramways et les autobus, où ils sont chargés aux arrêts et aux stations et où l’énergie est stockée pour le trajet.
Principe du condensateur lithium-ion
Un condensateur lithium-ion se compose d’une cellule, d’une électrode positive, d’une électrode négative et d’un électrolyte. Il peut être chargé et déchargé de manière répétée par l’adsorption et la désorption des ions lithium dans l’électrolyte sur les électrodes positives et négatives. Lorsqu’une tension est appliquée à un condensateur à ions lithium, les ions lithium sont adsorbés sur l’électrode négative et les anions sont physiquement adsorbés sur l’électrode positive.
Lorsqu’ils sont déchargés de cet état, les ions lithium sont désorbés sur l’anode et les ions lithium sont adsorbés sur la cathode après que les anions ont été désorbés. Lors de la charge et de la décharge, l’électrode positive utilise l’adsorption et la désorption physiques, comme dans un condensateur électrique à double couche, tandis que l’électrode négative utilise l’adsorption et la désorption des ions lithium, avec des réactions chimiques, comme dans une batterie secondaire au lithium-ion.
Les condensateurs à ions lithium nécessitent des tensions de cellule plus élevées afin d’augmenter la densité énergétique. En effet, la quantité d’énergie stockée est exprimée par E = CV2/2 (C : capacité, V : tension de la cellule). La tension est la différence de potentiel entre les électrodes positive et négative. L’augmentation du potentiel de l’électrode positive entraîne une décomposition oxydative du matériau. Dans les condensateurs lithium-ion, l’électrode négative est donc dopée au lithium à l’avance, au stade de la fabrication, afin d’abaisser le potentiel de l’électrode négative et d’augmenter la différence de potentiel lors de la charge.
Structure d’un condensateur lithium-ion
Un condensateur se compose principalement d’une cellule, d’une électrode positive, d’une électrode négative, d’un électrolyte et d’un séparateur. Dans les condensateurs lithium-ion, le charbon actif est utilisé comme matériau actif pour l’électrode positive, tandis que le matériau actif pour l’électrode négative a une petite surface spécifique, similaire à celle des batteries lithium-ion.
Des matériaux à base de carbone tels que le carbone dur, qui peut être dopé avec des ions lithium, sont utilisés. L’aluminium est utilisé pour l’électrode positive et le cuivre pour les collecteurs de courant de l’électrode négative, mais ils sont poreux car ils doivent permettre aux ions lithium de les traverser pour le dopage au lithium dans le processus de fabrication décrit ci-dessous.
L’électrolyte organique est généralement fabriqué en dissolvant des sels de lithium tels que le LiBF4 (tétrafluoroborate de lithium) et le LiPF6 (hexafluorophosphate de lithium) dans un solvant organique. Des séparateurs présentant une excellente perméabilité aux ions lithium et une imprégnation de l’électrolyte sont utilisés.