Un modèle innovant prédit le comportement des supercondensateurs

Les supercondensateurs représentent une technologie de stockage d’énergie en pleine expansion. Une équipe de chercheurs a développé un modèle novateur pour améliorer leur compréhension et leur efficacité, créant de nouvelles possibilités pour l’électronique portable et les véhicules électriques.

Les dispositifs de stockage d’énergie jouent un rôle essentiel dans notre quotidien. Parmi eux, les batteries sont largement connues pour leur capacité à fournir une énergie constante jusqu’à leur décharge complète.

Les supercondensateurs, quant à eux, se distinguent par leur aptitude à délivrer l’énergie par impulsions. Un parallèle peut être établi entre une batterie et un récipient qui accumule progressivement l’énergie pour un usage prolongé, tandis qu’un supercondensateur s’apparente à un seau rapidement rempli et vidé.

La puissance d’un supercondensateur dépend de sa résistance interne, particulièrement élevée. Cette caractéristique lui permet de fonctionner avec des courants très importants, presque similaires à un court-circuit. Un tel système s’avère utile lorsqu’une charge rapide et puissante est nécessaire, comme dans les automobiles, les systèmes d’alimentation d’urgence et les appareils compacts.

L’importance de la double couche électrique

Le phénomène qui rend possible l’effet des supercondensateurs repose sur l’accumulation d’énergie via une double couche électrique (DCE). La capacité de stockage de charge d’un condensateur est déterminée par la surface de ses plaques, la distance les séparant et le type de matériau diélectrique utilisé.

Dans un supercondensateur, la couche d’électrolyte entre les plaques ne mesure que quelques nanomètres d’épaisseur. De plus, le revêtement poreux des électrodes offre une surface considérable. Ces caractéristiques permettent aux supercondensateurs de surpasser largement les condensateurs traditionnels en termes d’énergie stockée.

Dans des conditions réelles, la double couche électrique subit l’influence d’interactions chimiques se produisant à l’échelle quantique. L’étude approfondie des propriétés de la DCE et des facteurs l’influençant s’avère donc primordiale pour améliorer l’efficacité des dispositifs électriques.

Un nouveau modèle pour prédire le comportement des supercondensateurs

Des scientifiques de HSE MIEM et du Centre de recherche Semenov en chimie physique ont élaboré un modèle décrivant la double couche électrique à l’interface entre une électrode et une solution électrolytique. Ce modèle utilise une équation de Poisson-Boltzmann modifiée pour ses calculs.

Les interactions spécifiques entre les ions et avec les molécules d’eau environnantes ont été prises en compte par le modèle. L’impact d’un champ électrique sur les propriétés diélectriques de l’eau et l’espace limité disponible pour les ions à la surface de l’électrode ont également été considérés. Cette approche a permis une description détaillée des profils de capacité électrique différentielle, mesurant l’efficacité d’accumulation de charge de la DCE en fonction des variations de tension.

L’étude s’est concentrée sur des solutions aqueuses de perchlorate de sodium (NaClO₄) et d’hexafluorophosphate de potassium (KPF₆) à l’interface avec une électrode d’argent. Le modèle résultant a prédit avec succès la structure de la double couche électrique, fournissant des informations sur le comportement de la capacité à diverses concentrations de solutions ioniques.

Des résultats prometteurs pour l’avenir des supercondensateurs

Yury Budkov, chercheur principal au Laboratoire de physique computationnelle de MIEM HSE et co-auteur de l’étude, a déclaré : «Nos prédictions théoriques correspondent parfaitement aux données expérimentales. Cela revêt une importance particulière car la quantification de la capacité électrique différentielle lors d’une expérience n’est pas triviale et nécessite des procédures méticuleuses et chronophages». Il a ajouté : «Ce modèle permettra de prédire le comportement de la capacité électrique différentielle dans des conditions où l’obtention de données expérimentales est difficile ou impossible».

Cette étude marque le début d’une série de recherches visant à développer une théorie complète de la double couche électrique à l’interface métal-électrolyte, en relation avec les systèmes du monde réel. Les auteurs prévoient d’étendre le modèle pour inclure des systèmes présentant des interactions ion-électrode plus fortes, qui sont les plus répandus.

Yury Budkov a conclu : «Un tel modèle pourra prendre en compte des facteurs supplémentaires influençant le fonctionnement des dispositifs électrochimiques modernes. Cela s’avère crucial pour le développement de nouveaux supercondensateurs utilisables dans une gamme d’appareils, allant de l’électronique portable aux véhicules électriques».

Article : ‘Understanding the Electric Double Layer at the Electrode-Electrolyte Interface: Part I – No Ion Specific Adsorption’ / ( 10.1002/cphc.202400650 ) – National Research University Higher School of Economics – Publication dans la revue ChemPhysChem