6. Conclusions générales et
perspectives
6. Conclusions générales et
perspectives
Plusieurs méthodes de caractérisation sont
utilisées pour évaluer les performances des supercondensateurs
dans les plages de température et de tension d'utilisation. Ces
méthodes de caractérisation des supercondensateurs sont des
cycles de charge/décharge à courant constant (tension constante
ou puissance constante), la spectroscopie d'impédance, la
voltampérométrique.
Ces différentes méthodes donnent des
résultats largement différents sur l'identification de l' ESR et
légèrement différents sur l'évaluation de la
capacité. Les mesures par méthodes temporelles donnent une
capacité totale du supercondensateur qui se repartie entre celle de la
double couche et une pseudo-capacité dûe à des processus
électrochimiques lents. La pseudocapacité et la nature complexe
du supercondensateur ont pour effet de rendre les résultats des
techniques de caractérisation différents. La technique de
spectroscopie d'impédance permet elle, de déterminer avec
précision la dépendance en tension de la capacité de la
double couche du supercondensateur Cdl et de la
résistance EDR du supercondensateur.
Les méthodes temporelles ont permis de
déterminer le rendement coulombien et sa variation en fonction des
différentes conditions. Il est remarqué que sa valeur diminue
avec la diminution du courant de charge/décharge notamment aux
températures élevées à cause de l'influence de la
pseudo-capacité.
L'ensemble du travail effectué a permis d'établir
des comparaisons entre les différents supercondensateurs de
différentes technologies.
Les différents comportements des supercondensateurs
sont modélisés par plusieurs modèles présentant
tous certains avantages et inconvénients : le modèle classique RC
est très simplifié mais aussi très imprécis ; et le
modèle à deux branches est simple et relativement facile à
identifier, mais sa précision dépend du profil du courant
d'application ; le modèle avec pores non-homogènes
représente bien le comportement dynamique des composants mais est assez
complexe. Cependant, le supercondensateur est un dispositif complexe, il peut
être intéressant de combiner les différents modèles
afin d'obtenir un modèle général décrivant avec
beaucoup de précision les différents phénomènes.
Par exemple le modèle avec pores non-homogènes peut être
complété avec les branches lentes du modèle à deux
branches et le modèle de l'autodécharge.
S achant que l'autodécharge est un indicateur important
pour quantifier les performances du supercondensateur. Nous avons
étudié en détail celle-ci. Une méthodologie de
mesure a été étudiée et adaptée pour mesurer
celle-ci. Cette dernière a été représentée
par plusieurs modèles. Un circuit électrique équivalent
série a été proposé. Le calcul des ses
éléments a été fait par la mesure de la
décroissance de la tension aux bornes du supercondensateur, mais ses
éléments ne représentent pas tout à fait les
comportements physiques de l'autodécharge. Pour cela, un nouveau
modèle d'autodécharge représentant mieux les
mécanismes physiques engendrant celle-ci, a été
proposé. Dans celui-ci, l'autodécharge est
modélisée par une résistance en parallèle avec la
capacité totale du supercondensateur pour le courant de fuite
intrinsèque à celle-ci et une capacité série avec
une résistance pour les réactions d'oxydoréduction. Ce
modèle donne des résultats intéressants, notamment, il a
permis de quantifier, pour la première fois, une capacité des
réactions d'oxydoréduction dûe aux impuretés.
Cependant, les processus d'autodécharge dépendent du type et de
la quantité d'impuretés, ce qui rend la précision du
modèle proposé tributaire de ces facteurs.
Nous avons constaté que les deux mécanismes
d'autodécharge varient fortement en fonction de la température
ambiante et de la tension initiale. Ainsi, l'énergie stockée dans
le supercondensateur est dissipée lentement à température
et tension faibles et rapidement à température et tension
élevées.
Ces phénomènes lents tels que la redistribution
de charges et l'autodécharge ne peuvent pas être
caractérisés d'une manière fiable par sp ectroscopie
d'impédance. Par conséquent, la mesure de la décroissance
de la tension en circuit ouvert reste la méthode la plus précise
pour les caractériser.
Pour diverses applications, il est nécessaire que le
supercondensateur puisse fonctionner dans une vaste plage de
température. Il est observé qu'une augmentation de la
température améliore les performances en termes d'énergie
et de puissance, ESR diminue. Par contre, l'autodécharge est
plus importante et la durée de vie du dispositif diminue. L'étude
en température a montré qu'il existe un fonctionnement optimal
pour des températures se situant aux alentours de 25 °C où
l'ESR approche sa valeur minimale en fonction de la température,
l'autodécharge est assez faible et la durée de vie est
convenable.
Un modèle thermique simple a été
présenté. Il donne une estimation de la température du
supercondensateur. Cependant, ce modèle est limité et il ne
permet pas de prédire la
répartition avec précision de la température
dans le supercondensateur ni d'optimiser la gestion thermique du composant.
L'évolution des performances des supercondensateurs
lors du vieillissement accéléré a été
représentée, d'un point de vue électrique global, par la
diminution de la capacité, l'augmentation de l'ESR et de
l'autodécharge.
Les différents circuits d'équilibrage sont
simulés et leur influence sur la dynamique de la tension de cellules est
montrée à long terme. Les résultats sont analysés
sur plusieurs applications. Il est constaté que l'utilisation de
circuits d'équilibrage améliore la performance du module de
supercondensateurs vis-à-vis de la fiabilité. Le type du circuit
d'équilibrage à considérer dépond du type
d'application. Il sera important de valider expérimentalement les
résultats obtenus sur les différents circuits
d'équilibrage notamment sur des profils de tension et de courant
industriels.
Les processus d'autodécharge dans les deux
électrodes, positive et négative, peuvent être
différents. La mesure de la décroissance de la tension des deux
électrodes prises séparément serait important à
réaliser pour mieux comprendre les mécanismes
d'autodécharge.
Une autre méthode de caractérisation
d'autodécharge, appelée `'floating», consisterait à
appliquer une tension constante (polarisation potentiostatique) et de mesurer
le courant d'alimentation. Il serait intéressant de comparer les
résultats par cette méthode de caractérisation avec ceux
obtenus par la méthode utilisée dans ce mémoire.
Les principaux inconvénients des supercondensateurs
sont leur autodécharge élevée, leur faible densité
d'énergie, leur faible tension nominale et la grande partie de
l'énergie irrécupérable en dessous de 1 V. Ces facteurs
limitent l'utilisation des supercondensateurs. La nouvelle
génération de supercondensateurs asymétriques avec des
électrodes hybrides limite certains de ces inconvénients [170].
Une étude complète de ce nouveau composant serait à
envisager.
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