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Les supercondensateurs font partie des composants électroniques passifs. Ils sont énormément utilisés dans le domaine de l’électronique et existent en plusieurs types : condensateurs variables et d’ajustage, condensateurs de tableau, condensateurs antiparasites, etc. Ces condensateurs ont tous un point commun : ils sont capables de stocker de l’énergie et de la restituer ensuite. Certains appareils nécessitent un apport beaucoup plus important en énergie.
Ce texte a été traduit par une machine.
Des informations intéressantes sur les supercaps
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Was a Supercap?
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Comment fonctionne un Supercap ?
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Quelle was est la différence entre un Supercap et une batterie ?
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Où sont utilisés les supercaps ?
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Comment connecter les supercaps ?
Was a Supercap?
Un super condensateur, Ultracap, Gold-Cap ou aussi Supercap est en principe un condensateur qui peut stocker d'énormes quantités d'énergie électrique.
Si une tension de 1 V est appliquée sur un condensateur et qu'un courant de 1 A est ensuite envoyé pendant 1 seconde, le condensateur a une capacité d'un Farad . L'unité 1 Farad a été nommée d'après le physique de l'expérience britannique Michael Faraday.
La valeur 1 Farad (1 F) est une très grande valeur de capacité qui n'est pas nécessaire dans les circuits courants des appareils électroniques. Ici, des condensateurs ne sont nécessaires que pour une fraction de la valeur. Les valeurs courantes sont par ex. :
Millifarad (mF) = 1/1000 Farad
Mikrofarad (µF) = 1/1000 millifarad
Nanofarad (nF) = 1/1000 microfarad
Picofarad (pf) = 1/1000 Nanofarad
Avec un super condensateur, la capacité spécifique se déplace à un niveau très différent. Des valeurs de capacité allant jusqu'à quelques milliers de farad sont désormais atteintes. Par conséquent, les super condensateurs portent leur nom à juste titre.
Pour atteindre ces niveaux de capacité élevés, différentes technologies ont été développées pour les super condensateurs.
Condensateurs à double couche
Pour les condensateurs à double couche, le charbon actif est utilisé comme matériau d'électrode. L'énergie électrique est stockée de manière statique dans les deux couches de Helmholtz sur les électrodes.
Pseudo-condensateurs
Les pseudo-condensateurs possèdent des électrodes en oxyde métallique ou en polymère conducteur. L'énergie électrique est stockée électrochimiquement par le remplacement de la charge en Faraday.
Condensateurs hybrides
Les condensateurs hybrides tels que les condensateurs lithium-ion utilisent à la fois le stockage statique et électrochimique. Pour ce faire, ils disposent d'une électrode avec une capacité de double couche élevée et d'une électrode avec une capacité de pseudo élevée.
Comment fonctionne un Supercap ?
Fonction de base
Image 2 : 1. Collecteur, 2. Électrode polarisée, 3. Double couche Helmholtz, 4. Électrolyte avec ions positifs et négatifs, 5. Séparateur, 6. Source tension;
Un super condensateur se compose de deux électrodes séparées mécaniquement et électriquement par un séparateur.
Malgré la séparation, le séparateur est perméable aux ions. L'échange de charge permet un électrolyte contenant des ions chargés positivement (cations) et des ions chargés négativement (anions).
Lorsqu'une tension est appliquée sur le condensateur, une double couche d'ions à charge négative et positive se forme sur les deux électrodes (voir figure 2).
En raison des différentes charges des électrodes, les couches sont réfléchies.
Les deux couches agissent comme deux condensateurs commutés en série. La capacité totale du condensateur est calculée selon la formule :
C 1· C 2
C TOTAL = ------
------- C 1 + C 2
Capacité statique à double couche :
Image 3 : 1. Collecteur, 2. Électrode polarisée, 3. Couche moléculaire de molécules de solvant polarisées, 4. Électrolyte, 5. Séparateur, 6. Cations sulfatées, 7. Double couche Gouy-Chapmann. 8. Double couche Helmholtz.
Les surfaces des électrodes sont mouillées sur une grande surface par l'électrolyte. Exactement dans cette surface de contact (limite de phase), deux couches ionisées apparaissent après l'application d'une tension (voir image 2).
Dans le cas d'un électrolyte aqueux, les deux couches sont séparées par une couche moléculaire de molécules d'eau polaires.
Les molécules d'eau adhèrent à l'électrode (adsorption) et aux ions (Solvation).
La séparation de charge agit de la même manière que le diélectrique dans un condensateur traditionnel et permet le stockage statique de l'énergie électrique dans un champ électrique.
La couche de Helmholtz extrêmement fine de quelques nanomètres et la surface extrêmement grande des électrodes jus²qu'à 2500 m par gramme sont la raison essentielle pour les valeurs de capacité extrêmes de ces condensateurs.
Pseudo-capacité électrochimique :
Image 4 : 1. Collecteur, 2. Électrode polarisée, 3. Couche moléculaire de molécules de solvant polarisées, 4. Électrolyte, 5. Séparateur, 6. Cations sulfatées qui n'ont pas encore de contact direct avec l'électrode, 7. Ions Redox intégrés qui ont remis leur charge à l'électrode, 8. Double couche Helmholtz.
Avec un condensateur avec une pseudo capacité électrochimique, les ions permettent de surmonter la couche de séparation des molécules de solvant et d'obtenir un contact direct avec la surface de l'électrode.
Les ions perdent alors la coque de Solvenate qui les entoure.
L'adhérence (adsorption) est suivie d'un transfert d'électrons (réaction de redox) ou d'un échange de charge Faraday qui contribue à la pseudo capacité.
Il n'y a pas de liaison chimique entre l'ion redox et l'anode .
Le processus est réversible, ce qui annule le remplacement de la charge lors de la décharge du condensateur.
Comme les ions désolvables n'ont plus de gaine de protection en molécules de solvant, ils ont besoin de moins de surface d'électrode .
Par conséquent, la capacité de pseudo-électrode sur une même surface est beaucoup plus élevée que pour une capacité de double couche.
Quelle was est la différence entre un Supercap et une batterie ?
Les différences entre un super condensateur et une batterie sont la densité d'énergie et la densité de puissance.
Dans la pratique, cela signifie qu'une batterie avec sa capacité plus élevée ou sa densité d'énergie plus élevée peut stocker beaucoup plus d'énergie qu'un super condensateur de même type.
Cependant, en raison de sa densité de puissance plus élevée, un super-cap peut absorber la quantité d'énergie beaucoup plus rapidement et la remettre plus rapidement. Des temps de charge courts et des courants de décharge très élevés sont si faciles à réaliser.
De plus, les Supercaps ont une grande résistance au cycle et résistent à bien plus de cycles de charge/décharge que les accus. La durée de vie est donc beaucoup plus longue. En raison de ces propriétés, les Supercaps peuvent compléter ou même remplacer complètement les accus utilisés jusqu'à présent dans de nombreuses applications.
Batterie et Supercap en comparaison directe
Deux cellules ont été choisies pour comparaison avec une forme et une taille similaires.
| Accu NiMH | Supercap | |
|---|---|---|
| BATTERIE NIMH TYPEMERICH SUB C 2400 MAH FT-1Z | Accu NiMH Emmerich Sub C 2400 mAh FT-1Z | Condensateur double couche VINATech VEC3R0107QG |
| Capacité | 2400 mAh | 100 F |
| Tension de fonctionnement | 1,2 V | 3 V |
| Énergie stockée* | 2,88 Wh | 0,08 Wh |
| Max. Intensité du courant | 48 A | 75 A |
| résistance intérieure | 15 m | Ω6 m |
| Résistance aux cycles | Min. 500 | Plus de 500 000 |
| Dimensions (Ø x H) | 22,5 x 43 mm | 22 x 45 mm |
| Poids | 54 g | 20 g |
| Plage de température | 0° C à +45° C | -40° C à +65° C |
* la valeur est une taille purement informatique en raison des caractéristiques techniques et non une valeur utilisable dans la pratique.
En conclusion, à l'image de la densité énergétique, les supercaps sont supérieurs aux accus.
Mais il y a un point important à prendre en compte : comme la tension de fonctionnement des cellules individuelles est trop faible dans de nombreux cas, les accus et les supercaps sont volontiers commutés en série pour augmenter la tension totale. Alors que pour les accus (figure A), la capacité de deux cellules commuées en série reste la même, la valeur de capacité des condensateurs (figure B) est réduite.
Où sont utilisés les supercaps ?
En raison de leur capacité énorme, les condensateurs à double couche peuvent absorber beaucoup d'énergie, stocker et remettre en place des condensateurs à faible perte. C'est pourquoi les premiers condensateurs à double couche ont été utilisés pour alimenter les mémoires volatiles dans les appareils les plus divers. Aujourd'hui encore, les super condensateurs sont utilisés de préférence pour l'alimentation, comme sources de tension de secours ou pour le nivellement de charge.
Cependant, les premiers super condensateurs ont toujours eu un défaut non-visible en raison de la résistance interne élevée. Ils ne peuvent pas être utilisés pour les applications à courant élevé. Ainsi, dans les années 1980, on a constamment amélioré les matériaux des condensateurs et développé des électrolytes plus conducteurs. Cela a permis d'augmenter considérablement la capacité et surtout la capacité de charge de courant.
Grâce à ces propriétés, les super condensateurs ESR BAS impédance sont demandés partout où une grande capacité de commutation est nécessaire. notwendig ist. Mais même dans les véhicules où l'énergie est stockée lors du freinage et réalimentée lors de l'accélération (KERS ou récupération), les Supercaps sont très heureux d'être utilisés.
Comment connecter les supercaps ?
Les Supercaps ont un connecteur plus et un connecteur moins en raison de leur construction. Dans une utilisation pratique, il est important de veiller à ce que le condensateur soit correctement poli dans le circuit.
Un autre critère important est la tension de fonctionnement. Le peut être compris entre 2,5 V et 5,5 V pour les cellules individuelles en fonction du type de condensateur et de la construction.
Certains fabricants intègrent deux condensateurs dans un boîtier pour atteindre des tensions de fonctionnement de 6,0 V ou plus. Comme ces tensions sont souvent trop faibles pour de nombreuses applications, les supercaps sont souvent commutés en série. Cela réduit cependant la capacité utilisable en fonction de la formule suivante.
1/C TOTAL = (1/C 1) + (1/C 2) + (1/C 3) + (1/C 4)
La capacité réduite d'un circuit en série est compensée par le branchement en parallèle de plusieurs chaînes de condensateurs en série. Vous obtenez ainsi la résistance à la tension et la capacité requises. Cependant, l'équilibrage passif ou actif doit garantir que les cellules individuelles ne sont pas surchargées.
Pour l'équilibrage passif, seules les résistances de dérivation (R) sont connectées en parallèle au condensateur (voir figure A). Cela peut être fait pour les systèmes dynamiques qui sont souvent chargés et déchargés. Pour les systèmes statiques qui sont rarement chargés, l'équilibrage actif doit être fait. Chaque résistance de shunt est activée et déportée électroniquement via un interrupteur (S) (voir figure B).