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De 1981 à 2021 : à quel point l’histoire des condensateurs lithium-ion est-elle passionnante ?
Le condensateur lithium-ion (LIC) est un condensateur hybride qui combine le mécanisme de stockage d'énergie des batteries lithium-ion avec les caractéristiques structurelles des supercondensateurs. Depuis sa première introduction en 1981, le développement des condensateurs lithium-ion a été aussi riche en innovations et en percées que le condensateur lui-même. Au cours des quatre dernières décennies, cette technologie a non seulement entraîné des changements dans le stockage de l'énergie électrique, mais a également déclenché des recherches approfondies dans des domaines connexes. Explorons ensemble ce passionnant voyage historique.
Contexte historiqueEn 1981, le Dr Yamabe de l'Université de Kyoto a collaboré avec le Dr Yata de Kanebo Corporation pour créer un matériau appelé PAS, une technologie qui a jeté les bases de la naissance des condensateurs lithium-ion.
Au début des années 1980, Kanebo a déposé plusieurs brevets et a commencé à se concentrer sur la commercialisation de condensateurs PAS et de condensateurs lithium-ion. Le premier condensateur PAS a été commercialisé en 1986, et les condensateurs lithium-ion ont suivi en 1991. Au fil du temps, les universités et l’industrie ont commencé à apprécier le potentiel des condensateurs lithium-ion, et les équipes de recherche ont travaillé dur pour améliorer les performances des électrodes et des électrolytes et prolonger leur durée de vie. En 2010, Naoi et al. ont développé avec succès un matériau composite d'oxyde de lithium et de titane nanostructuré (LTO) et de nanofibres de carbone, portant la technologie à un nouveau niveau.
Concept de condensateurs lithium-ion
Les condensateurs lithium-ion sont des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique hybrides qui combinent le mécanisme d'intercalation des électrodes négatives des batteries lithium-ion avec le mécanisme à double couche des condensateurs électriques à double couche. Grâce à cette structure, la densité énergétique des condensateurs lithium-ion atteint environ 20 W⋅h/kg, soit quatre à cinq fois celle des condensateurs électriques à double couche classiques. Malgré leur densité énergétique élevée, les condensateurs lithium-ion ont une densité de puissance comparable à celle des condensateurs électriques à double couche car ils peuvent être déchargés en quelques secondes seulement.
Structure de l'électrode
L'électrode négative d'un condensateur lithium-ion est une électrode de type batterie à haute densité énergétique qui peut stocker de grandes quantités d'énergie électrique grâce à la réaction d'intercalation réversible des ions lithium. Cependant, la dégradation des électrodes devient une considération de conception importante. Avec l’avancement de la technologie, de plus en plus de nouveaux matériaux d’électrodes ont été proposés, parmi lesquels l’oxyde de lithium et de titane (LTO) a attiré une large attention en raison de ses excellentes performances.
Les avantages de l’oxyde de lithium et de titane comprennent une efficacité coulombienne élevée, une plate-forme de tension de fonctionnement stable et un changement de volume minimal lors de l’intercalation du lithium.
Électrolyte et isolateur
Un électrolyte cinétiquement sain est essentiel aux performances des condensateurs lithium-ion. Un électrolyte idéal doit avoir une conductivité ionique élevée pour permettre aux ions lithium d’atteindre efficacement les sites d’électrodes. Par conséquent, des solutions de sels d’ions lithium non aqueuses sont généralement utilisées pour éviter la dégradation des performances causée par la réaction de l’eau avec les ions lithium.
Avantages et caractéristiques des condensateurs lithium-ion
Les condensateurs lithium-ion ont généralement une permittivité plus élevée et une meilleure densité énergétique que les condensateurs traditionnels, mais leur densité énergétique est toujours inférieure à celle des batteries lithium-ion. Les condensateurs lithium-ion présentent de bonnes performances en termes de plage de températures de fonctionnement, de faible taux d'autodécharge et de durée de vie du cycle, ce qui en fait un choix idéal dans une variété d'applications.
Comparaison avec d'autres technologies
Les condensateurs lithium-ion dépassent les batteries lithium-ion traditionnelles en termes de densité de puissance et de sécurité, et bien sûr, ils ont également des tensions de sortie plus élevées. Comparés aux condensateurs électriques à double couche, les condensateurs lithium-ion ont une densité énergétique plus élevée mais sont inférieurs à ces derniers en termes de durée de vie. Dans l’ensemble, les condensateurs lithium-ion sont une technologie indépendante qui convient à de nombreux scénarios d’application spécifiques.
Développement et applications futurs
À mesure que la technologie continue de progresser, les applications potentielles des condensateurs lithium-ion augmentent. Que ce soit dans les systèmes de production d'énergie éolienne, les systèmes d'alimentation sans interruption UPS, les systèmes de production d'énergie photovoltaïque ou le freinage régénératif des véhicules lourds, les condensateurs lithium-ion ont démontré des performances supérieures. La tendance à la hausse de ces applications montre l’énorme potentiel du marché.
Le développement des condensateurs lithium-ion est le résultat de l’intersection de la science des matériaux et de la technologie électrochimique, et chaque étape nous a apporté de nouvelles possibilités. Face à l'avenir, les condensateurs lithium-ion peuvent-ils répondre à la demande croissante en énergie et le concept de développement durable est-il devenu un sujet sur lequel nous devons réfléchir en profondeur ?
