Analyse électro-thermique multi-échelles des supercondensateurs au carbone pour le stockage de l'énergie

Multi-scale electro thermal analysis of carbon supercapacitors used for energy storage

• Auteur / Autrice : Caroline Pascot
• Direction : Yves Scudeller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : École polytechnique universitaire de Nantes Université

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calorimétrie

Transfert de chaleur

Matériaux poreux

Électrodiffusion

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Supercondensateur

Capacité double-couche

Résumé

Ces travaux concernent l'analyse électro-thermique des supercondensateurs au carbone utilisés pour le stockage d'énergie électrique dans le domaine du transport. La dissipation d'énergie produite lors de la charge et de la décharge de ces systèmes est à l'origine d'une élévation de la température de fonctionnement qui limite les performances et la sécurité. Cette étude a conduit à l'élaboration de modèles décrivant les processus de diffusion de charges et de chaleur au sein de structures poreuses imprégnées d'électrolyte. Plusieurs échelles ont été considérées : celle des matériaux de cellules élémentaires et celle d'éléments formés de l'assemblage de cellules. Un dispositif calorimétrique original a par ailleurs été développé afin de déterminer la puissance dissipée par des cellules sous cyclage. Différentes résistances électriques, à l'origine des échauffements observés, ont pu être identifiées en fonction de la vitesse de charge, de la fréquence du cyclage et de la température. Ceci a permis d'établir une loi donnant les puissances et les rendements énergétiques en fonction des caractéristiques des matériaux et de l'électrolyte. De surcroît, des simulations réalisées sur des éléments de supercondensateurs ont permis de mettre en évidence qu'une hétérogénéité thermique pouvait être à l'origine d'une répartition de charges non uniforme. Des circuits thermiques équivalents, caractéristiques d'éléments de supercondensateurs, ont été par ailleurs conçus. Ces circuits permettent d'effectuer des analyses électro-thermiques à l'échelle de modules que les approches numériques classiques ne permettent pas de réaliser.

This work deals with electro-thermal analysis of supercapacitors for energy storage applications. Nowadays, there is a demand for producing cells offering suitable performance at high charge rates over a wide temperature range and power dissipation remains one of the key factors affecting safety and reliability. Electro thermal investigations have been performed on carbon supercapacitor cells and devices both by measurements and modelling. A calorimetric technique was developed for measuring the power dissipated by unit cells under cycling by analysing transient temperature change. Power density was found as a function of the charge rate over a wide current range for different temperature. Results were compared with estimations obtained with AC-DC impedance techniques and potential cell properties. Different electro thermal modelling strategies were developed both for cells and complex devices. Thermal circuits have been especially constructed for analysing electrothermal coupled problems. Finally, the experimental and modelling approaches contribute to a better understanding of electro thermal performance of supercapacitors.