Stockage d’énergie électrochimique

Thèmes abordés

Stockage d'énergie électrochimique, supercondensateurs, batterie, pile, toxicité, électrodes, automobile, outillage, condensateur, électrolyte, carbones, graphène, nanomatériaux, énergie cinétique

Résumé du document

Ce document, sous forme de présentation, est un cours sur le stockage d'énergie électrochimique et ses spécificités, notamment les supercondensateurs.

Extraits

[...] • • • • • • Fabriqué en Chine Feu-Toxique 3,7 V 2,96 Wh Li ion 3000 mA.h Caractéristiques d'une batterie • Capacité : quantité de courant accessible pendant la décharge 1Ah=3600C Exemple de batteries Li métal Li+ +  Li0 Caractéristiques d'une batterie • Densité de puissance : en W.kg-1 Représente la « vitesse » à laquelle l'énergie est délivrée. Utilisation : pour une courte durée comme par exemple au démarrage de la machine. Besoin d'une grande quantité de courant en un instant. Caractéristiques d'une batterie • Densité énergétique en Wh.kg-1 Représente la quantité d'énergie accessible à l'intérieur d'une batterie. [...]

[...] Gogotsi Nature Materials 7 (2008) 845. Adsorption électrochimique d'ions Haute puissance, faible énergie  Très bonne durée de vie (500.000 cycles) E = ½ CU2 P U2/R U = 2.7 V Exemple d'un condensateur  Micro-hybride (Stop & Start)  Supercondensateur Maxwell  Économise 15% de carburant en ville Maxwell@ : carbone Capacité : 3000 F for 510 g Tension : 2.7 V (acétonitrile) Résistance DC : 0.29 mΩ Energie spécifique : 6 Wh/kg  1/25 batterie Li (150 Wh/kg) Puissance de pointe Mac : 12 kW/kg  60 x batterie Li (200 W/kg) Constante de temps = RC) : 0,9 s Capacité spécifique : 6 F/g 12 F/g (une électrode) et non 300 F/g e ≈ 160 µm Rs ≈ 1.5 Ω.cm² Comparatifs Applications des supercondensateurs Train STEEM (RATP) Système de Tramway à Efficacité Energétique Maximisée) Récupération de l'énergie par gravité (Maxwell) Shanghai Exposition universelle 2010 Ouverture A 380 Programme Le stockage électrochimique: ordres de grandeur Le stockage rapide: les supercondensateurs Les supercondensateurs technologie Les condensateurs Les supercapacités Condensateurs électrochimiques  de forte capacité 1F) et  de grande durée de vie (500.000 cycles)  Applications potentielles: Automobile, transports en commun, téléphones mobiles  Technologies actuelles: Électrodes en carbone, électrodes à l'oxyde de ruthénium RuO2 Nouveaux développements dans le domaine des supercondensateurs par François BÉGUIN et Encarnacion RAYMUNDO-PIÑERO techniques de l'ingénieur (2008) Différences entre les batteries et les supercondensateurs voltammetrie ohm/1F) 150 courant -50 -100 -150 -2000 -1500 -1000 - potentiel Cycle d'un supercondensateur E = ½ CU2 P U2/R Carbone très divisé Solvants organiques Acétonitrile Propylene carbonate 2,7 V Les techniques de l'ingénieur M. [...]

[...] Cottone in ICT - Energy - Concepts Towards Zero - Power Information and Communication Technology ISBN 978-953-51-1218- pages, (Intech) (free access) J. Chmiola, G. Yushin,Y. Gogostis, C. Porter P.L. [...]

[...] Utilisation : le temps est important Plus le temps de fonctionnement est long, plus la densité énergétique doit être élevée. Formule pour la densité d'énergie : Meilleures batteries : à votre avis Couples redox 5.87 +2.87 V ½ F2 + e  F1.40 4.2V Cl 2  2e  2Cl  PbO2  4 H   2e  Pb 2  2 H 2 O 1.45  2 1.23 V ½O2 + 2e + MnO 2  4 H  2e  Mn  2 H 2 O De nombreux oxydes - 0 H e  ½ H 2 -0.13 Pb 2  2e  Pb( s ) -0.403 Cd+2 + 2 e  CeM -0.403 Cd+2 + 2 e  CeM - Zn 2  2e  Zn( s ) -2.8 V e  NaM - 3.0 V e  LiM Batteries primaires Pile Leclanché Zn/NH4Cl/MnO2 saline (1868) Cathode : MnO2 + + = MnO(OH) 0.7 V Électrolyte : NH4Cl : Pâte ionique soluble (évite les fuites, meilleure réactivité) Anode : Zn = Zn2+ + 2e- -0.76 V La pile alcaline contre la pile saline NH4Cl électrolyte KOH 8 M électrolyte • Zn° + 4 OH-  Zn(OH)42- + 2 e• Plus hermétique • Broche en laiton plus petite que celle en carbone • Zinc meilleur conducteur sous forme de poudre • Durée de vie plus longue : excès de MnO2  Meilleure performance, plus cher Batteries secondaires La bonne vieille batterie au plomb PbO2+ SO42- + 2e-  PbSO4 + 2H2O Pb + SO42-  PbSO4 1,45V -0.13 V DV = 1,6V 40 Wh/kg Point positif : Faible coût 40 c/kWh Point négatif : Faible énergie spécifique et faible puissance Durée de vie modérée : plomb-acide 400 cycles Li-ion 1000 cycles Gaston Planté (1859 ) Piles au nickel-cadmium Waldemar Jungner de Suède en 1899 +0.4 V NiO(OH)+ H2O + e  Ni(OH)2 OH OH OH OH OH OH OH OH Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni OH OH OH OH OH OH OH OH -0.81 V Cd(OH)2 + 2e  CdM + 2 OH Bonne durée de vie Bonne puissance Bon cycle faible densité spécifique 40 Wh/kg Le Cadmium est hautement toxique O OH O OH O OH O OH Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni OH O OH O OH O OH O Batteries Nickel-Métal Hydride LaNi5 alloy Positif NiOOH + + H2O  Ni(OH)2+ OH- 0.45V Négatif Ni-Cd: Cadmium Cd(OH)2 + 2  Cd° + 2 OH- 1,2 V -0.8V RT log( H ) 0V  0.06 pH  0.84V nF Faible densité énergétique 70 Wh/kg Bonne énergie volumique 170 Wh/L Négatif Ni-MH : hydrure métallique Coût du matériau LaNi5 + H2O +  HLaNi5 + OH- -0.9 V Problèmes de vieillissement mais 0V H + e  ½ H2 E E   + À l'aube du XXIe siècle Sans danger (écologie) pollution (Cd,Hg,Pb) explosion (Moli) Fiable (batteries de sécurité, batteries de secours) cycles > 1000 (coût) charge (back-ups) 1989 San Franscisco 1992 Andrew Portabilité Haute densité d'énergie /volume (W.h/l) ou masse (W.h/kg)  portabilité (téléphones, PC) Haute puissance voitures électriques Volume élevé  stationnaire Toxicité Analyse du cycle de vie Acide de plomb Cadmium - nickel Oxyde de mercure Oxyde de cobalt Recyclage Système de consigne Prix élevé Aides gouvernementales  Convertisseurs catalytiques, échappements De Michel Broussely (SAFT) conférence Galerne, Amiens 2010 Batterie au lithium métal Li métal Électrode négative : lithium Électrode positive : MO2 M = Co, Mn, Ni solvant  éther Potentiel : 4.2 V Matériaux d'électrodes positives : Sélection des structures d'intercalation Structures 2D TiS2 MoS2 in the ‘90 LiCoO2 (LCO) 4.2V sécurité (se décompose) coût du cobalt Li(Ni0.3Mn0.3Co0.3)O2 (NMC) moins cher plus sûr  Batteries de téléphone perspective d'avenir Li(LiNiMnCo)O2 Li-rich NMC Structures 3D spinelles LiMn2O4 (LMO) 4.2 V Structures Olivine LiFePO4 (LFP) 3,5 V bon marché et sûr faible densité énergétique se dissout dans l'électrolyte ne devrait jamais fonctionner mauvais cycle composant très bon marché traitement coûteux  Outils électriques  voitures avec additifs  Batteries de voiture perspective d'avenir LiNi0.5Mn1.5O4  Futur LiCoPO V Électrolyte Électrolyte = sel + solvant Sel : LiPF LiClO4 éther Carbonate de propylène Solvant : polaire aprotique Carbonate de diéthyle Danger des batteries Li-Métal Liu et al JECS Li Batteries Li-ion solution anode Li-ion batteries: Rocking-chair 0.5 V vs Li x Li+ + C6 + x e  LixC6 Perte de densité Li  LiC6 Potentiel plus faible 4.2 V  3.7 V Li = 6.9 g/mol 3800 mA/h LiC6 = 78.9 g/mol 339 mAh/g Résumé Potentiel Énergie spécifique (Wh/kg) Densité énergétique Puissance spécifique Cycles de vie (cycles) Prix ( plomb acide Nickel -cadmium Nickel -hydrure Lithium ion Graphique de Ragone Source Saft L'avenir proche Les progrès des batteries au lithium Nouvelles forces motrices 1899 « jamais contente » record 100 km/h Chassis 250 kg Moteur 250 kg 2x 50 kW Batterie 650 kg fulmen C. [...]

[...] Taberna and P. Simon, Science 313 1760-1763 (2006) Si - C 3652°C 2600°C C graphite BN sp 2 diamant(HP) BN SiC Si Sn 3547°C sp3 Smalley Curl Kroto Prix Nobel 1996 Buckminster Fuller fullérènes C60 additif conducteur renfort mécanique Graphène ou oxyde de graphène Graphène Oxyde de graphène 2mV/s Bin Xu et al. Energy Environ. Sci Energy Environ. Sci 1185–1191 L.G.H Staaf et all nano energy9 (2014) 128. [...]