Supercondensatori: un’alternativa allo storage chimico?

di Diego Torazza
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Courtesy of Vina supercapacitors
Courtesy of Vina supercapacitors

Cosa rende un condensatore “super”?

I supercondensatori si differenziano da quelli “normali” perchè presentano grandi miglioramenti nella densità energetica, grazie a particolari accorgimenti in grado di incrementare enormemente la superficie attiva delle armature. Tra ciò che è attualmente in commercio citiamo innanzitutto la collaudata tecnologia  EDLC (elettrolitici a doppio strato):  grazie ad armature in alluminio rivestite da carboni attivi a struttura microporosa raggiungono densità energetiche di 7 Wh/kg: valore ottimo per un condensatore, ma non ancora sufficiente a competere con gli accumulatori chimici. Ci sono poi i supercondensatori LIC (Lithium-Ion Capacitors), che raggiungono i 20 Wh/kg (valore paragonabile alle batterie al piombo), ma si tratta di una sorta di sistema ibrido tra batteria e condensatore.

Per andare oltre è necessario ricorrere alle nanotecnologie applicate al carbonio: il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, disposti a 120° a formare degli esagoni e costituisce la base per realizzare diverse “forme”.

È possibile ottenere una sorta di foglio, sottilissimo e robusto, con il quale realizzare le armature del supercondensatore e garantire la massima superficie possibile in rapporto al volume. Proprio in questo modo il gruppo di ricerca della Queensland University (Australia), di cui fa parte anche il Prof. Nunzio Motta, è riuscito a realizzare un prototipo di supercapacitor a film sottile, con densità energetica comparabile a quella delle batterie Li-Ion (30-90 kWh/kg) e con densità di potenza di 10 W/cm3. Il risultato è davvero interessante poiché i ricercatori dichiarano di averlo ottenuto utilizzando metodi produttivi semplici che, se adottati su scala industriale, risulterebbero più economici di quelli necessari per le attuali batterie.

 

Il grafene: questa forma allotropica del carbonio sarà protagonista negli sviluppi futuri
Il grafene: questa forma allotropica del carbonio sarà protagonista negli sviluppi futuri

I supercondensatori strutturali

Tuttavia le strutture come il grafene, grazie alla loro ridotta densità, migliorano la densità energetica espressa in termini di peso, ma non quella volumetrica: in molte applicazioni il volume necessario ad alloggiare questi leggeri ma ingombranti dispositivi li taglierebbe fuori.

Tutto ciò a meno di non “condividere” lo spazio: è proprio per questo che il passo successivo sarà quello di integrare i supercondensatori in altre componenti del veicolo quali elementi strutturali o di carrozzeria. Ciò è molto più semplice da realizzare partendo da dispositivi elettrostatici quali i condensatori piuttosto che da dispositivi elettrochimici quali le batterie.

È possibile, ad esempio, depositare nanotubi, ovvero nanostrutture simili al grafene ma “avvolte” appunto a formare tubi, sulle fibre strutturali del tessuto in fibra di carbonio comunemente utilizzato per realizzare i compositi a base epossidica. Frapponendo poi strati isolanti fra questi tessuti si ottiene un pannello strutturale ed insieme un supercondensatore: alcune ricerche stanno dimostrando che i cosiddetti structural supercapacitor mantengono la capacità di scambiare energia anche se sottoposti a vibrazioni o accelerazioni importanti e mostrano densità energetiche analoghe ai supercapacitors non strutturali.

Come anticipato in apertura si tratta di un approccio molto diverso rispetto a quello cui ci hanno abituato gli accumulatori elettrochimici, potenzialmente in grado di offrire tanto, se le ricerche in atto continueranno a portare risultati incoraggianti.

 

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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