La spinta energetica dei supercondensatori


Con il termine supercondensatore (o supercapacitore o ultracapacitore) si intende comunemente un dispositivo in grado di accumulare l’energia elettrica in due condensatori in serie a doppio strato elettrico.

I capacitori convenzionali comunemente utilizzati in elettronica rendono disponibili al bisogno enormi potenze, ma solo piccole quantità di energia. I supercapacitori riescono invece a fornire anche discrete quantità di energia e possono essere caricati e ricaricati in maniera estremamente rapida, subendo un notevole numero di cicli senza risentire di processi di degrado. D’altro canto la quantità di carica accumulabile in un supercapacitore è limitata, e dipende dalla superficie di interfaccia elettrodo/elettrolita, quindi questi dispositivi non sono idonei a stoccare grandi quantitativi di energia. In sostanza, i supercapacitori sono interessanti per la loro elevata densità di potenza e per la loro grande durata; inoltre, l’immagazzinamento di energia è più semplice e più reversibile rispetto alle batterie convenzionali, anche se le capacità di accumulo energetico risultano limitate.

I supercondensatori possono essere di diversa tipologia, differenti per tipo di elettrodo o di elettrolita. Il supercapacitore più semplice è formato da due elettrodi polarizzabili, un separatore e un elettrolita. Quelli maggiormente studiati e commercializzati utilizzano elettroliti in soluzione acquosa o organica ed elettrodi a base di carbonio con alta area superficiale. Grazie all’effetto della corrente di accumulo, le cariche elettriche si dispongono all’interfaccia elettrodo/elettrolita del supercapacitore in modo fisico e non si hanno processi chimici di ossido-riduzione.

Schema di funzionamento di un supercapacitore a doppio strato elettrico

Schema di funzionamento di un supercapacitore a doppio strato elettrico

Il quantitativo di energia accumulabile è molto elevato proprio grazie alla struttura degli elettrodi, tipicamente costituiti da carbonio poroso, i quali consentono a cariche dello stesso segno di disporsi a distanze molto ravvicinate. Recentemente NessCap ha cominciato a produrre supercapacitori in cui gli elettrodi sono costituiti da ossidi di metallo nanostrutturati, con capacità di accumulo ancora superiori.

Queste caratteristiche rendono i supercapacitori idonei a sostituire o a supportare le batterie in diverse applicazioni, specialmente quelle che richiedono livellamento del carico. In generale, come visto in un precedente articolo, questi dispositivi possono essere utilizzati in abbinamento alle comuni batterie e ai sistemi UPS per migliorarne le caratteristiche di efficienza e contribuire alla risoluzione di tutte le problematiche di Power Quality e Bridging Power, fondamentali, per esempio, nel settore delle energie rinnovabili.

Nonostante esista e sia diffusa la possibilità di applicare i supercapacitori in ambito stazionario (ad esempio negli aerogeneratori), il settore in cui questi dispositivi stanno riscuotendo maggiore interesse è quello dei trasporti, in particolare nei cosiddetti freni rigenerativi. Il principale vantaggio di questo genere di supercapacitori è l’elevata potenza (indicativamente 18 KW/kg contro i 1800 W/kg delle batterie agli ioni di litio). Inoltre supercapacitori appositamente costruiti per l’autotrasporto possono sopportare fino a 1000000 di cicli di carica/scarica, a differenza dei 1000 caratteristici delle batterie. Purtroppo la loro scarsa capacità energetica (5.3 Wh/kg contro i 160 Wh/kg delle moderne batterie) li rende adatti ad integrare l’utilizzo delle batterie principali di una vettura elettrica, ma non a sostituirle completamente. Abbinando un supercapacitore alle batterie è possibile, tuttavia, risparmiare fino al 25% di energia, soprattutto nel traffico cittadino, i cui cicli di guida sono caratterizzati da continue accelerazioni e frenate. Potenziali di risparmio simili sono registrabili anche nel traffico pubblico locale su rotaia. Un supercapacitore studiato appositamente per applicazioni nei sistemi di trasporto è stato realizzato per esempio da Batscap, mentre tra i principali produttori di supercapacitori già disponibili in commercio si citano Maxwell Technologies e Nesscap.

Per la costituzione di supercapacitori ancora più performanti sono attualmente oggetto di ricerca diversi tipi di elettroliti organici, mentre su fronte degli elettrodi sono allo studio nanotubi di carbonio e film di carbonio nanostrutturato con elevata porosità rapportata alla bassa densità del materiale. La FastCAP Systems di Cambridge, una società fondata di recente da membri del MIT, ha ricevuto un massiccio finanziamento da parte del DOE  (Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti) per lo sviluppo e la commercializzazione di un ultracondensatore potenziato con nanotubi di carbonio. Tali ultracondensatori dovrebbero essere capaci di immagazzinare fino a cinque volte più energia rispetto ai modelli presenti sul mercato, portando la loro capacità ad un quarto di quella delle batterie agli ioni di litio. Recentemente, inoltre, i ricercatori della Nanotek Instruments di Dayton, Ohio, hanno realizzato un supercapacitore con elettrodi realizzati in sottilissimi fogli di grafene, e caratterizzato da un’eccezionale densità energetica (fonte: Nano Letters).

Sul fronte della ricerca, infine, è da segnalare l’attività in corso presso l’Istituto CNR-ITAE di Messina, orientata a sviluppare un supercapacitore costituito solo da componenti solidi e che utilizza, al posto dei tradizionali elettroliti liquidi, un elettrolita solido polimerico (supercapacitore tutto-solido).

Supercapacitori tutto-solido nanostrutturati progettati da CNR-ITAE

Supercapacitori tutto-solido nanostrutturati progettati da CNR-ITAE

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