Caractérisation électrique, mise en évidence des phénomènes physico-chimiques et modélisation fractionnaire des supercondensateurs à électrodes à base de carbone activé

Electrical characterization, highlight of physicochemical phenomena and fractional modeling of supercapacitors made of activated carbon electrodes

• Auteur / Autrice : Nicolas Bertrand
• Direction : Eric Woirgard, Jean-Michel Vinassa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 14/04/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Maurice Fadel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Woirgard, Jean-Michel Vinassa, Maurice Fadel, Pascal Venet, Michel Zasadzinski, Mathieu Morcrette, Alain Oustaloup, Jocelyn Sabatier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Venet, Michel Zasadzinski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Modèles non linéaires (statistique)

Condensateurs électriques

Mots clés libres

Supercondensateur

Caractérisation

Voltampérométrie cyclique

Spectroscopie d’impédance

Électrosorption

Modélisation fractionnaire

Modèle non linéaire

Identification

Véhicules électriques et hybrides

Supercapacitor

Characterization

Cyclic voltammetry

Impedance spectroscopy

Electrosorption

Fractional modeling

Non linear model

Identification

Hybrid and electric vehicles

Résumé

Cette thèse a pour objectif de proposer une modélisation performante des supercondensateurs à électrodes à base de carbone activé, composants de puissance présents dans un nombre croissant d’applications de stockage d’énergie. La première étape des travaux a consisté à mettre en évidence les phénomènes physico-chimiques, qu’ils soient électrostatiques ou électrochimiques grâce à des essais de caractérisation spécifiques et de vieillissement. L’analyse des résultats associée à la connaissance des matériaux constitutifs a conduit à attribuer le comportement non linéaire du supercondensateur aux phénomènes d’adsorption-désorption (électrosorption) et de diffusion anomale des espèces adsorbées dans le réseau microporeux de l’électrode. La prise en compte de ces phénomènes et de la capacité de double couche a permis de définir un modèle non linéaire fractionnaire dont les paramètres dépendent des grandeurs physico-chimiques de la cellule. La procédure proposée pour l’identification des paramètres du modèle repose sur la réponse en tension du supercondensateur à des profils de charges-décharges. Malgré la simplicité de l’identification, le modèle traduit fidèlement le comportement du supercondensateur soumis à des profils en courant typiques d’applications véhicules électriques et hybrides.

This work aim is an efficient modelling proposal for supercapacitors made of activated carbon electrodes which are power components used in many energy storage applications. In the first part of this study, the purpose is to evidence physico-chemical phenomena, electrostatic or electrochemical as well, thanks to characterization and aging tests. The results analysis combined with materials knowledge leads to suppose that the supercapacitor non linear behavior is due to adsorption-desorption processes and also to anomalous diffusion of adsorbed species into the electrode microporous network. These mechanisms in addition with the double layer capacitor principle allow us to define a non linear fractional model with parameters that depend on physic0-chemical characteristics of the cell. The proposed identification procedure is based on the voltage response to charges-discharge current profiles. In spite of the simplicity of this identification method, the model matches very well the behavior of the supercapacitor under current profiles that are typical of hybrid and electric vehicle applications.