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ottobre 9, 2018 Commenti (0) Ingegneria, Ingegneria Elettronica Tempo di Lettura: 10'

Supercapacitori: le batterie del futuro?

supercapacitori, con le loro caratteristiche uniche, stanno sostituendo le batterie in alcune applicazioni. Il futuro quindi ci riserva dispositivi puramente capacitivi, con la batterie relegate per lo più al passato? Oppure l’avanzata dei supercapacitori è destinata ad arrestarsi?

Batterie vs Supercapacitori

La maggior parte dei dispositivi intorno a noi possiede una batteria, e spesso si tratta di una batteria agli ioni di litio, una delle tecnologie più utilizzate grazie alla sua elevata densità di energia (circa 100-200 Wh/kg), che permette di avere batterie relativamente leggere che durino a lungo. Un punto debole è però la velocità di ricarica e di scarica, legata alla natura elettrochimica di questi dispositivi, che pone un limite sia a quanto velocemente una batteria può essere caricata sia a quanta potenza questa può fornire in uscita (limitata a circa 2000-3000 W/kg). Un’altra problematica riguarda la degradazione della capacità dopo un certo numero di cicli di carica e scarica, un effetto evidente per chiunque abbia per esempio un cellulare con più di un paio d’anni.

Questo tipo di problemi risulta invece assente nei capacitori (o condensatori), che hanno una natura elettrostatica e che quindi hanno tempi di carica e scarica molto ridotti e una degradazione molto meno marcata. A differenza delle batterie, però, hanno una capacità energetica estremamente bassa, di appena 0.1-0.3 Wh/kg per i condensatori elettrolitici, la tipologia a più alta capacità. Questa loro mancanza li rende inadatti per praticamente tutte le applicazioni portatili o che richiedano una certa autonomia.

Il discorso cambia quando invece parliamo di supercapacitori, i quali sono in grado di immagazzinare tra 10 e 100 volte più energia di un normale capacitore, con la limitazione di una tensione massima sopportata di pochi volt. Questa capacità energetica, intermedia tra i normali condensatori e le batterie agli ioni di litio (da circa 2 Wh/kg per supercapacitori a doppio strato fino a 10-15 Wh/kg per supercapacitori ibridi), unita alle vantaggiose caratteristiche di ricarica, potenza in uscita e longevità, rende questo tipo di dispositivi una scelta molto interessante e vantaggiosa per un gran numero di applicazioni.

 

Cosa rende tale un supercapacitore

Proviamo a capire cosa differenzia in maniera sostanziale un supercapacitore da un normale condensatore. Un condensatore è in realtà un dispositivo molto semplice, composto da due conduttori (armature) separati da un isolante (dielettrico). Applicando una differenza di potenziale tra questi due conduttori, il condensatore accumula della carica elettrica sulla superficie delle armature a contatto con il dielettrico. All’interno del dielettrico sarà presente un campo elettrico proporzionale alla quantità di carica sulle armature. È in questo campo elettrico che il condensatore conserva l’energia accumulata sotto forma di energia elettrostatica. La quantità di carica accumulata dipende, oltre che dalla differenza di potenziale tra i due elettrodi, dalla capacità del dispositivo. La capacità, espressa in farad (F), a sua volta dipende dall’area superficiale delle armature, da quanto sono vicine tra di loro e dalla costante dielettrica dell’isolante.

Per massimizzare la capacità in un condensatore, spesso sono costruiti con le armature arrotolate l’una sopra l’altra, per massimizzarne l’area e minimizzarne la distanza, separate da un sottile strato di isolante con un’alta costante dielettrica. Questo tipo di condensatori può arrivare però fino ad un certo punto in termini di densità energetica, con capacità massima di qualche Farad.

I supercapacitori riescono a spingersi oltre questo limite con una struttura fondamentalmente diversa: abbiamo sempre due contatti conduttori, ricoperti di solito di carbone attivo ad elevata area superficiale, separati da un elettrolita. Nel momento in cui viene applicata una differenza di potenziale tra i due elettrodi, sulla superficie di questi ultimi si formeranno due strati ionici contrapposti, equivalenti agli strati di carica che si accumulano sulla superficie delle armature nei condensatori tradizionali. La distanza di pochi nanometri e la superficie relativamente grande garantita dalla porosità del carbone attivo permettono di raggiungere enormi capacità, fino anche a centinaia di Farad, e quindi una grande densità energetica.

 

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I supercapacitori di oggi e di domani

Queste caratteristiche hanno permesso il loro utilizzo in un crescente numero di dispositivi al posto delle ordinarie batterie, come ad esempio in un mouse wireless, con una autonomia di circa una giornata ma un tempo di ricarica di soli 3 minuti, o in uno speaker bluetooth, con 6 ore di autonomia, un tempo di ricarica di 5 minuti e una vita nominale di 10 anni contro il paio d’anni tipico delle batterie al litio. Addirittura, la Samsung ha deciso di adottare questa tecnologia per il pennino nel suo ultimo smartphone di alta fascia, il Galaxy Note 9: al posto di una batteria ha infatti un supercapacitore che gli permette di avere 30 minuti di autonomia ma un tempo di ricarica di soli 40 secondi, garantendone da una parte l’utilizzabilità necessaria e dall’altra una longevità addirittura superiore a quella dello smartphone.

Anche nel mondo dei trasporti i supercapacitori sono stati utilizzati in maniera innovativa: sia su gomma, principalmente su auto elettriche ed ibride, che su ferro sono usati per meccanismi di frenata rigenerativa, ovvero meccanismi di frenata che invece di disperdere tutta l’energia cinetica del mezzo in movimento in calore attraverso l’attrito con i dischi, ne recuperano una parte sotto forma di energia riutilizzabile successivamente. Esistono da tempo sistemi di frenata rigenerativa meccanici (il volano), idraulici o elettrici a batterie, ma l’alta capacità di potenza dei supercapacitori ha permesso la realizzazione di sistemi ancora più efficienti, utilizzati anche in ambiti sportivi come la F1.

Un esempio dove invece i supercapacitori hanno rimpiazzato con successo le batterie tradizionali sono i capabus, i “bus capacitivi”: introdotti in maniera sperimentale in Cina nel 2010, hanno un’autonomia di solo qualche km, ma sfruttano la ricarica estremamente rapida dei supercapacitori ad ogni fermata, con la possibiltà di fare un pieno in meno di due minuti. Questi autobus, oltre a costare una frazione degli autobus a diesel in termini di mantenimento e carburante (si stima un risparmio di circa 200mila dollari), sono più leggeri degli autobus elettrici “tradizionali”, risultando più efficienti nel consumo di elettricità di questi ultimi con consumi inferiori fino al 40%.

 

Un autobus capacitivo in ricarica

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I supercapacitori hanno poi tutta una serie di utilizzi sia in elettronica digitale, come stabilizzatori di tensione e alimentazione di backup per componenti come memorie, microcontrollori e PC cards, che nella rete elettrica, dove associati con banchi di batterie possono avere un effetto di stabilizzazione e possono aumentare l’efficienza delle centrali elettriche accumulando elettricità nei momenti di bassa domanda e rimettendola a disposizione nei momenti quando invece è alta.

Sono molte le ricerche volte ad innovare ulteriormente la tecnologia dei supercapacitori, con l’obiettivo di migliorarne ulteriormente la capacità a tal punto da poterli sostituire o affiancare in maniera efficace alle batterie in ambiti dove al momento non è possibile farlo. Elon Musk, CEO di Tesla, nel 2011 dichiarò che il futuro dei veicoli elettrici sarà determinato dai supercapacitori, non dalle batterie, riferendosi probabilmente a sistemi ibridi più che veicoli solo capacitivi, capaci di ricariche più veloci e accelerazioni e decelerazioni più efficienti.

Una delle più vie più discussa per migliorare i supercapacitori coinvolge il grafene, un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio dalle proprietà eccezionali, tanto da aver permesso ad un gruppo di ricercatori di vincere il Nobel per la Fisica del 2010 grazie ai loro studi a riguardo. Elettrodi ricoperti di grafene invece che di carbonio attivo porterebbero ad una capacità teorica di 550F/g, aumentando l’energia specifica fino ad un massimo di 85.6 Wh/kg, abbastanza vicina a quella attuale delle batterie elettrochimiche.

Probabilmente il nostro prossimo smartphone non si caricherà in pochi minuti grazie ai supercapacitori, ma sicuramente la diffusione ed il miglioramento di questa tecnologia porterà ad innovazioni imprescindibili per la tecnologia del futuro.

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