L’accumulo di carica nei supercondensatori

I supercondensatori sono noti per i loro valori di capacità straordinariamente elevati, che vanno da diversi farad a migliaia di farad. Questa straordinaria capacità è dovuta principalmente ai particolati materiali con cui sono realizzati e alle avanzate tecniche di costruzione utilizzate. La capacità di caricare e scaricare rapidamente è una delle caratteristiche distintive dei supercondensatori, rendendoli eccezionalmente adatti per applicazioni che richiedono un rapido scambio di energia

Le potenziali applicazioni dei supercondensatori continuano a crescere di pari passo con il progresso tecnologico. Le innovazioni nella scienza e nell'ingegneria dei materiali potrebbero ampliarne ulteriormente l'utilizzo, soprattutto nei settori high-tech e nelle tecnologie emergenti, dove la rapidità del ciclo energetico e l'elevata densità di potenza sono cruciali.

Il supercondensatore, noto anche come EDLC (electric double-layer capacitor), è un dispositivo di accumulo di energia che colma il divario tra i condensatori convenzionali e le batterie. A differenza delle batterie, che immagazzinano energia in forma chimica, i supercondensatori immagazzinano energia elettrostaticamente. Sono costituiti da due elettrodi divisi da un elettrolita (materiale che consente il transito di ioni, ma non di corrente) e da un separatore.

Quando viene applicata una tensione, gli ioni dell'elettrolita si accumulano sulla superficie degli elettrodi, formando un doppio strato di carica. Questo processo consente ai supercondensatori di immagazzinare e rilasciare energia in modo molto rapido ed efficiente. Infatti, i supercondensatori sono noti per la loro elevata densità di potenza, la rapida capacità di carica e scarica e la lunga durata. Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui è richiesto un rapido accumulo e rilascio di energia, come nei veicoli ibridi, nei sistemi di energia rinnovabile e in vari dispositivi elettronici.

I supercondensatori differiscono dai condensatori tradizionali per diversi aspetti chiave, che vanno dalla costruzione e dai materiali utilizzati, ai valori di capacità e alle applicazioni.

I condensatori tradizionali utilizzano normalmente materiali dielettrici (come ceramica, polimeri o ossidi metallici come l'ossido di tantalio) inseriti tra due piastre metalliche al fine di immagazzinare energia elettrica. Il materiale dielettrico determina le proprietà del condensatore, tra cui la capacità e la tensione massima.

I condensatori tradizionali hanno tipicamente valori di capacità misurati in picofarad (pF) o microfarad (μF), mentre i supercondensatori possono avere valori di capacità che raggiungono decine di farad e finanche le migliaia di farad.

Nei condensatori tradizionali, l'energia viene immagazzinata mediante la separazione delle cariche in un campo elettrostatico. I condensatori tradizionali sono ampiamente utilizzati nei circuiti elettronici per applicazioni come la sintonizzazione, il filtraggio e l'accumulo di energia in piccole quantità. Sono ideali per applicazioni ad alta frequenza come circuiti RF e di elaborazione audio, dove la carica e la scarica rapide sono essenziali.

Invece di un dielettrico convenzionale, i supercondensatori utilizzano una capacità elettrostatica a doppio strato e una pseudocapacità elettrochimica. Gli elettrodi sono realizzati con materiali altamente porosi, come il carbone attivo, che offrono una superficie molto ampia. Ciò consente l'accumulo di una maggiore quantità di carica, con conseguente aumento della capacità.

I supercondensatori sono utilizzati in applicazioni che richiedono maggiori quantità di energia rispetto ai condensatori tradizionali e una scarica rapida, come avviene nei veicoli elettrici per la frenata rigenerativa, nei dispositivi elettronici portatili per rapidi aumenti di potenza e nelle applicazioni di rete elettrica per la stabilizzazione di tensione e frequenza.

 

Velocità di carica, densità di energia, durata

I condensatori tradizionali possono caricarsi e scaricarsi quasi istantaneamente, il che li rende ideali per applicazioni che richiedono impulsi di energia molto brevi.

Sebbene si carichino e si scarichino molto rapidamente rispetto alle batterie, i supercondensatori sono generalmente più lenti dei condensatori tradizionali, tuttavia possono fornire un livello di potenza costante per un periodo di tempo piuttosto lungo, il che li rende adatti per applicazioni che richiedono un ponte tra impulsi di energia rapidi e erogazione di energia a lungo termine.

I condensatori tradizionali hanno solitamente una bassa densità di energia, il che significa che possono immagazzinare meno energia per unità di volume rispetto ai supercondensatori.

I supercondensatori eccellono in densità di potenza, ovvero hanno la capacità di erogare impulsi di potenza elevati in un breve lasso di tempo. Sebbene i condensatori tradizionali possano fornire impulsi di potenza, la quantità di energia che possono immagazzinare ed erogare è significativamente inferiore; possono funzionare per molti anni senza un degrado significativo delle prestazioni. I supercondensatori, pur essendo durevoli, possono soffrire di tassi di autoscarica più elevati e di perdita di capacità nel corso dei numerosi cicli di carica e scarica, ma hanno in genere un ciclo di vita superiore rispetto alle batterie.

 

La tecnologia di base e i materiali per i supercondensatori

I supercondensatori utilizzano materiali e tecniche di costruzione avanzati per massimizzare le loro prestazioni, in particolare in termini di capacità e densità di energia.

• Stratificazione degli elettrodi - tecniche come l'impilamento o la laminazione di strati sottili di materiali possono compattare molto materiale attivo in un volume significativamente piccolo, aumentando efficacemente la densità energetica.
• Ottimizzazione delle dimensioni dei pori - regolando le dimensioni dei pori dei materiali che costituiscono gli elettrodi, in modo che corrispondano alle dimensioni degli ioni dell'elettrolita, è possibile ottimizzare le capacità di trasferimento e di accumulo degli ioni, migliorando così l'efficienza.
• Materiali ibridi - la combinazione di materiali diversi, come ossidi metallici e materiali a base di carbonio, può offrire un duplice vantaggio: ottenere sia elevata densità energetica (come nelle batterie), sia elevata densità di potenza (come nei condensatori).

Il materiale più comunemente utilizzato, grazie alla sua elevata area superficiale e alla buona conduttività elettrica, è il carbone attivo (o carbone vegetale) che può immagazzinare una quantità significativa di carica per unità di volume. È un materiale poroso ottenuto dalla combustione di materiali di origine vegetale, come il legno e viene poi trattato per aumentare la sua superficie e la sua capacità di adsorbimento, ovvero di trattenere le sostanze.

È possibile utilizzare anche nanotubi di carbonio (CNT); presentano una struttura tubolare unica che offre una resistenza meccanica e una conduttività elettrica superiori rispetto al carbonio. I CNT facilitano un trasporto di elettroni più rapido e forniscono siti più accessibili per l'adsorbimento ionico, il che aumenta sia la potenza che la densità energetica dei supercondensatori. Al pari il grafene è noto per le sue eccezionali proprietà elettriche, termiche e meccaniche; i fogli di grafene offrono un'area superficiale estremamente elevata, la loro struttura monoatomica (bidimensionale composta da un singolo strato di atomi di carbonio) consente agli ioni di accedere a tutta la superficie disponibile, migliorando significativamente la capacità.

Componenti e costruzione

Ogni componente di un supercondensatore è accuratamente progettato per migliorarne le prestazioni, dagli elettrodi agli elettroliti ai separatori.

Gli elettrodi sono generalmente realizzati con materiali stratificati a base di carbonio, sono porosi e ad alta conduttività elettrica. Lo studio per apportare innovazioni comporta spesso l'aggiunta di polimeri conduttivi o ossidi metallici finalizzati a migliorare le prestazioni.

Di grande importanza è anche la configurazione strutturale: gli ingegneri progettano la disposizione fisica degli elettrodi per massimizzare l'area superficiale e migliorare l'accessibilità ai pori, un accorgimento fondamentale per aumentare la capacità di accumulo di energia.

La scelta tra i possibili elettroliti, acquosi e organici, dipende solitamente dalla tensione operativa e dall'intervallo di temperatura richiesti. Gli elettroliti organici generalmente consentono operazioni a tensione più elevata, mentre quelli acquosi sono più convenienti ed ecocompatibili. Inoltre, va rimarcato che gli elettroliti, per essere di alta qualità, devono possedere un'eccellente conduttività ionica per ridurre le perdite di energia durante l'erogazione di potenza.

I separatori devono rispondere a vari requisiti funzionali. Innanzitutto, devono impedire il contatto elettrico tra gli elettrodi, ma al contempo devono consentire il libero movimento degli ioni. Devono essere porosi, chimicamente stabili e termicamente resilienti.

Materiali come membrane polimeriche e tessuti non tessuti sono comunemente utilizzati; la ricerca si concentra sul miglioramento della loro permeabilità ionica e resistenza meccanica.

 

Lunga durata del ciclo di vita dei supercondensatori

Uno dei vantaggi più significativi dei supercondensatori è la lunga durata del loro ciclo di vita, il che li rende estremamente affidabili per diverse applicazioni.

I supercondensatori possono durare da centinaia di migliaia a diversi milioni di cicli con una degradazione minima delle prestazioni. Questa caratteristica è di gran lunga superiore alle batterie tradizionali, che in genere durano da migliaia a decine di migliaia di cicli. Il ciclo di vita esteso dei supercondensatori riduce la necessità di frequenti sostituzioni, riducendo così i costi operativi e di manutenzione a lungo termine, soprattutto nei sistemi che richiedono cicli di carica e scarica frequenti.

Come già esposto, a differenza delle batterie in cui l'accumulo di energia avviene tramite reazioni chimiche, i supercondensatori immagazzinano energia attraverso forze elettrostatiche sulla superficie degli elettrodi grazie all’azione di adsorbimento e desorbimento fisico degli ioni. L’assenza di reazioni chimiche, che nel tempo possono degradare i materiali coinvolti, rende meno gravoso questo processo, con conseguente maggiore durata.

È un processo superficiale che consente velocità di carica e scarica molto elevate. Infatti l'utilizzo di materiali altamente conduttivi ed elettroliti con bassa resistenza interna consente un rapido movimento degli ioni sulla superficie dell'elettrodo, facilitando una carica e una scarica veramente rapide.

I supercondensatori sono costruiti con materiali meccanicamente robusti, riducendo il rischio di degradazione fisica nel tempo. Questa integrità strutturale è fondamentale per mantenere le prestazioni durante i numerosi cicli di carica e scarica.

I campi applicativi

Grazie alle loro proprietà uniche, i supercondensatori sono utilizzati in una vasta gamma di settori quali i sistemi energetici, il settore automobilistico, il settore industriale e dell’elettronica di consumo.

Sono eccellenti anche per attenuare la variabilità nella produzione di energia da fonti rinnovabili come l'eolico e il solare, possono assorbire rapidamente l'energia in eccesso durante i picchi di produzione e rilasciarla durante i cali, stabilizzando così la rete; assorbendo o immettendo rapidamente energia nella rete, ne migliorando la stabilità e l'affidabilità complessive.

Lo stesso discorso riguarda le reti elettriche tradizionali, dove contribuiscono a stabilizzare la tensione e a prevenire le fluttuazioni che potrebbero causare problemi di qualità dell'energia.

Nelle applicazioni industriali e commerciali sono parte integrante dei sistemi UPS, soprattutto in ambienti critici come ospedali e data center, dove forniscono alimentazione immediata durante le interruzioni e fino all'attivazione dei generatori di backup.

In particolare, nell’ambito industriale i supercondensatori vengono utilizzati nei sistemi di recupero di energia per catturare e immagazzinare energia da diverse fonti, come sollecitazioni meccaniche o variazioni termiche, può quindi essere utilizzata per alimentare sensori e piccoli dispositivi.

Applicati all’elettronica di consumo, come i tablet e i PC portatili, i supercondensatori possono prolungare la durata della batteria gestendo l'alimentazione in modo piuttosto efficiente. Possono gestire i picchi di potenza, riducendo così lo stress sulla batteria e prolungando la durata complessiva del dispositivo. In caso di improvvise interruzioni di corrente, i supercondensatori possono fornire l'energia necessaria per salvare i dati e spegnere in sicurezza i dispositivi elettronici, prevenendo la perdita di dati e il danneggiamento del sistema.

Applicati ai veicoli elettrici i supercondensatori vengono utilizzati nei sistemi di frenata rigenerativa. Catturano l'energia cinetica tipicamente persa durante la frenata e la rilasciano rapidamente in accelerazione, migliorando l'efficienza complessiva del veicolo.

Su autobus e tram si possono utilizzare per una rapida ricarica alle fermate, tramite stazioni di ricarica aeree, mantenendo un servizio continuo su percorsi brevi senza il peso e il costo di grandi pacchi batteria.

 

Sparq, Ligna, Innoitaly e i supercondensatori bio

Gli sviluppi delle tecnologie bio hanno portato alla creazione dei dispositivi elettronici realizzati con materiale naturale come, ad esempio, il super condensatore a base di lignina.

Frutto della ricerca e del lavoro congiunto di Ligna e Sparq, questo supercondensatore a base biologica ha dimensioni estremamente contenute: 20 × 20 × 0,4 mm il più piccolo, 30 × 42 × 0,6 mm il più grande, con capacità rispettivamente di 50 mF e 1,2 F.

Lavora con tensioni nominali inferiori a 3,0 V con consumi che vanno dai 50 µWh a poco più di 1 mWh. Il periodo di vita utile oltrepassa i 100 k cicli di carica/scarica. Questo super condensatore è particolarmente adatto per il mercato IoT e IIoT in quanto dimensioni e prestazioni, gli consentono una flessibilità tale da poter essere inserito agevolmente in qualsiasi sistema e dispositivo connesso.

Sparq, Ligna e Innoitaly hanno collaborato a stretto contatto per realizzare un sensore in grado di misurare dati ambientali come temperatura e umidità. Il dispositivo è stato studiato per avere la più alta autonomia di funzionamento nella trasmissione dei dati acquisiti senza utilizzare batterie, caratteristiche che lo rendono adatto per settori come Agritech, Smart Home, Smart Building e così via.

Il dispositivo, nel suo insieme, si può considerare composto da: un modulo che integra il sensore, un super condensatore, un modulo LoRa (Long Range) dotato di antenna, un micro-pannello solare.

Il modulo sensore, supportato dalla carica del condensatore, è connesso a quello di trasmissione, studiato per essere energeticamente indipendente, che invia i dati attraverso una piccola antenna LoRa. I dati rilevati possono essere trasmessi verso diversi sensori esterni, realizzando così diversi scenari di uso.

Riprendendo la filosofia costruttiva bio del super condensatore, anche il micro-pannello fotovoltaico è stato realizzato da Innoitaly in materiale organico e presenta caratteristiche di flessibilità tali da potersi adattare alle differenti tipologie di packaging dei sensori.

Il micro-pannello è in grado di fornire energia sia al modulo LoRa che al super condensatore, quest’ultimo destinato ad alimentare il sensore. Questa impostazione consente di generare energia sufficiente per soddisfare entrambe le fasi di rilevamento, elaborazione e trasmissione dei dati, quest’ultima richiede valori intorno ai 6 mJ.

Inoltre, il dispositivo è in grado di raccogliere e convertire energie secondarie attraverso vibrazioni e differenziali termici. I campi di utilizzo possono spaziare dall’agritech per la misurazione dei parametri dell’aria e del terreno all’ambito abitativo con la misura di umidità e qualità dell’aria dei locali, può inoltre essere integrato in un sistema di sorveglianza.