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Batteries, supercondensateurs et piles à combustible

Illustration d'une batterie constituée d'électrodes (cathode chargée positivement et anode chargée négativement), d'un électrolyte conducteur et d'un séparateur entre les électrodes.

Les batteries, piles à combustible et supercondensateurs sont des systèmes utilisant différents mécanismes de stockage et de conversion d'énergie électrochimique, mais présentant des caractéristiques électrochimiques similaires et destinés aux applications à haute énergie et à haute densité de puissance. 

Batteries

Une batterie est composée d'électrodes (cathode (+) et anode (-)), d'un électrolyte conducteur et d'un séparateur entre l'anode et la cathode. Dans les batteries rechargeables lithium-ion (LIB), des cations lithium monovalents migrent entre les électrodes. Durant la décharge, l'anode (-) s'oxyde (perd des électrons) et la cathode subit une réduction (un gain d'électrons). Lors de la charge, ce processus est inversé. Du fait de leur grande énergie, de leur grande densité de puissance, de leur sécurité accrue et du plus faible coût de leurs matériaux, les batteries lithium-ion ont révolutionné l'industrie électronique et ont intégré de nombreux aspects de notre vie quotidienne, des appareils mobiles aux véhicules électriques. En 2019, le prix Nobel de chimie a été décerné aux scientifiques qui ont développé la technologie LIB. 

Illustration d'une pile à combustible PEM montrant comment l'énergie chimique est convertie en énergie électrique en utilisant de l'hydrogène gazeux et de l'oxygène gazeux comme combustible.

Piles à combustible

Les piles à combustible se composent d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte conducteur. Elles sont souvent connectées en série sous forme d'empilement afin d'accroître la quantité totale d'électricité générée. L'électrode est constituée d'un matériau poreux recouvert d'un catalyseur permettant de générer de l'électricité. Il existe cinq grandes catégories de piles à combustible, qui se distinguent par le type d'électrolyte employé : membrane électrolytique polymère, oxyde solide, acide phosphorique, composé alcalin, et carbonate fondu. La technologie de la membrane électrolytique polymère (PEM), ou membrane échangeuse de protons, est considérée comme l'option la plus prometteuse pour remplacer la technologie des piles à combustible alcalines.

Les piles à combustible ont été développées pour constituer une technologie d'énergie alternative en raison de leur grande efficacité, de leurs faibles émissions et de leur impact environnemental réduit, surpassant les moteurs à combustion traditionnels. Les seuls déchets produits par les piles à combustible sont de l'eau et de la chaleur, ce qui en fait un candidat prometteur comme source d'énergie du futur dans une vaste gamme d'applications, notamment les appareils portatifs, les appareils fixes et les solutions de transport.

Exemple de supercondensateur constitué de deux électrodes, d'un électrolyte et d'un séparateur assurant le transfert des ions, tout en maintenant les électrodes polarisantes séparées.

Supercondensateurs

Les composants d'un supercondensateur sont similaires à ceux d'une batterie. Toutefois, les supercondensateurs se caractérisent par leur capacité de stockage de charge. Les matériaux constituant les électrodes contribuent aux performances de stockage des supercondensateurs, qui peuvent être classés en trois catégories : les condensateurs à double couche à action électrostatique, les pseudo-condensateurs à action électrochimique et les condensateurs hybrides utilisant les deux modes d'action.

Les supercondensateurs sont une source d'énergie à haute densité, avec une grande capacité de stockage d'énergie, une longue durée de vie et des capacités de charge rapide, ce qui en fait un outil idéal pour les applications du type véhicules hybrides, dispositifs portatifs et récupération de l'énergie. 


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