Supercondensatori: un’alternativa allo storage chimico?

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Courtesy of Vina supercapacitors
Courtesy of Vina supercapacitors
Courtesy of Vina supercapacitors

In principio hanno affiancato le batterie per “aiutarle”, ma presto potrebbero sostituirle completamente: gli ultimi sviluppi stanno trasformando i supercapacitors in accumulatori energetici sempre più competitivi rispetto alle celle elettrochimiche.

Come i lettori più attenti sicuramente ricorderanno, ce ne siamo occupati già altre volte: si tratta infatti di un argomento molto importante per lo storage energetico e quindi, di riflesso, per il mondo della trazione elettrica. Proprio per questo numerose ricerche sono in corso in tutto il mondo e gli sviluppi sembrano davvero interessanti; che c’è chi si spinge ad ipotizzare che i supercondensatori possano assorbire nei prossimi 15 anni fino al 50% del mercato oggi appannaggio degli accumulatori Li-Ion.

L’idea alla base del condensatore è semplice, e le prime realizzazioni antiche (rimandiamo al box per la spiegazione del principio di funzionamento): gli attuali supercapacitors si basano sugli stessi concetti, ma stanno mostrando prodigiosi progressi grazie alle nanotecnologie.

 

Immagazzinare direttamente la carica elettrica: il condensatore
Alessandro Volta nel 1780, ovvero 20 anni prima della sua celebre pila, ideò il condensatore di elettricità: un componente elettrico importantissimo, in grado di immagazzinare energia in un campo elettrostatico, da tempo utilizzato in una moltitudine di forme, dimensioni e tecnologie. Il dispositivo è composto da una coppia di conduttori (detti armature) separati da un materiale isolante (detto dielettrico): la carica si concentra sulla superficie delle piastre e l’energia elettrostatica è immagazzinata nel materiale dielettrico posto tra le armature. Tra i vantaggi del dispositivo, la semplicità ed un ciclo di vita pressochè illimitato. Il grande svantaggio è la scarsa densità energetica: infatti l’energia immagazzinata dipende dall’estensione delle superfici delle armature e, inversamente, dalla loro distanza (ovvero dallo spessore del dielettrico, che tuttavia deve poter garantire il necessario isolamento elettrico). I condensatori elettrolitici migliorano drasticamente il secondo aspetto, grazie all’utilizzo di un sottile strato di ossido dello stesso metallo (alluminio o tantalio) che compone un’armatura come dielettrico, mentre sull’altra, solitamente coincidente con l’involucro del condensatore, è presente un fluido elettricamente conduttore (elettrolita). Anche sfruttando tutti i possibili accorgimenti tecnologici l’utilizzo di materiali convenzionali pone grossi limiti di ingombro e di peso all’estensione della superficie delle armature: i condensatori tradizionali non garantirebbero che pochi metri di autonomia ad un veicolo elettrico…

 

Schema interno di un condensatore: sono mostrati schematicamente i principali componenti: la geometria interna reale è di norma più complessa al fine di massimizzare la superficie e minimizzare gli ingombri
Schema interno di un condensatore: sono mostrati schematicamente i principali componenti: la geometria interna reale è di norma più complessa al fine di massimizzare la superficie e minimizzare gli ingombri

Quali i vantaggi rispetto alle attuali batterie?

La vita utile è il principale vantaggio di questa tecnologia: siamo oltre i 10.000 cicli, quindi molto superiore alle migliori batterie. Anche la potenza massima erogabile in rapporto alle dimensioni è superiore a quella garantita dalle attuali batterie, e ciò li rende adatti a ben sopportare le forti richieste di corrente momentanee: proprio per questo sono diffusamente utilizzati nei sistemi ibridi. La realizzazione su larga scala è potenzialmente più economica ed ecologica grazie all’assenza di metalli pesanti o elementi rari o costosi. Fin qui tutto bene: scopriamone ora i limiti.

Nei supercondensatori la funzione di dielettrico è svolta da un liquido organico elettrolita assorbito nel separatore tra le armature, il cui limite è la tensione sopportabile compresa tra i 3 ed i 6V. Come per i normali accumulatori è quindi necessario disporre numerosi elementi in serie e, per compensare le inevitabili differenze tra gli elementi stessi, è necessaria un’adeguata elettronica di bilanciamento come accade per le batterie al Litio.

Sempre riguardo all’elettronica, il sistema di controllo deve garantire prestazioni costanti all’utilizzatore pur dovendo funzionare a partire da una gamma di tensioni più varia. Infatti tutti i condensatori, contrariamente agli accumulatori tradizionali che garantiscono una certa costanza della tensione, presentano una caduta lineare della tensione durante la scarica.

7 COMMENTS

  1. I supercondensatori non sono altro batterie con una tecnologia diversa, ed altre applicazioni, ma in fondo sono la stessa cosa. I condensatori non sono stati inventati da Volta, ma da von Kleinst e van Musschenbroek e in effetti erano i primi accumulatori di energia elettrica utilizzati per le prima ricerche (le famose bottiglie di Leida).

  2. Forse con il grafene /nano tubi: per autotrazione già il litio ha poca densità d’energia, figurati gli attuali super cap, però aiutano tipo frenta rigenerativa ecc

  3. @Carlo A.:
    da http://it.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta#Il_condensatore_e_i_viaggi_in_Europa:
    “Nel 1780 inventa il “condensatore di elettricità”, apparato che serve a ricevere, accumulare, condensare in sé e rendere visibile anche le più deboli quantità di elettricità.”
    Condensatori e batterie NON sono assolutamente la stessa cosa! Si tratta di un dispositivo elettrostatico e di uno chimico.
    Che poi gli ultimi sviluppi tecnologici stiano creando ibridi tra supercondensatori e batterie è un altro discorso.

  4. @Diego Torazza
    Batterie e condensatori non sono la stessa cosa, ovviamente, ma se si tratta di condensatori ‘elettrolitici’ sono parenti come principio di funzionamento (nel senso che sono entrambi dispositivi chimici, la parola ‘elettrolisi’ dovrebbe ricordare qualcosa).
    Quanto ad Alessandro Volta lui ha inventato i suoi modelli di condensatore ma non erano in assoluto i primi. Normalmente si riconosce come primo inventore dei condensatori (questa volta non elettrolitici!) Ewald Georg von Kleist http://en.wikipedia.org/wiki/Leyden_jar nel 1745, proprio quando nasceva Volta.
    La cosa è molto importante nella storia della scienza: le bottiglie di Leida (condensatori) oltre a essere divertenti giochi da salotto, permisero di fare i primi esperimenti con i circuiti elettrici… fin quando Volta non inventò la pila!

  5. Mah, i condensatori elettrolitici, come tutti i condensatori, hanno in fase di scarica una tensione che decresce linearmente dal massimo a zero, mentre le batterie ricaricabili presentano un gradino, più o meno esteso a tensione quasi costante.
    Ciò, a prescindere dai dettagli delle varie tipologie, e’ indice di un funzionamento differente, ed e’ una delle grandi differenze anche dal punto di vista delle utenze che devono essere alimentate.

  6. Da un punto di vista concettuale, a prescindere dalla presenza di un elettrolita, la cui funzione e’ esclusivamente il trasporto della carica attraverso ioni, ciò che distingue una batteria da un condensatore e’ il modo in cui l’energia e’ immagazzinata:
    In una batteria (intesa come cella elettrochimica) l’energia elettrica e’ trasformata in energia chimica e viceversa: avviene all’interno una reazione chimica.
    In un condensatore l’energia viene immagazzinata elettrostaticamente: non avvengono reazioni chimiche: si tratta di un processo fisico. Da ciò deriva la maggiore velocità a cui può avvenire e il maggior numero di cicli sopportabili.

  7. I Supercaps sono chimici!
    Fisicamente non potranno mai avere la stessa densità energetica delle batterie… oppure saranno degli ibridi.
    Ricercare:
    redox reaction
    non-redox
    Comunque vanno mooolto bene per il recupero energia in frenata. 10.000 to 1.000.000 cicli.
    Ultimi arrivi: elettrodi con nano-ossidi di metalli di transizione depositati su grafene.

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