Tutti i vantaggi dei supercondensatori

I condensatori elettrici a doppio strato, noti anche come supercondensatori o ultracondensatori, riscuotono l’interesse degli specialisti di ricerca e sviluppo per le loro prestazioni nell’erogazione di energia, che colmano il divario tra i condensatori dielettrici e le batterie tradizionali. Questa attenzione è dovuta ad applicazioni nei settori dei dispositivi portatili, dei veicoli elettrici, dello stoccaggio dell’elettricità presso le centrali e il “livellamento del carico” di fonti rinnovabili come quelle dell’energia solare ed eolica. Le future complesse sfide dell’erogazione decentralizzata dell’energia si potranno superare soltanto utilizzando tecnologie di stoccaggio elettrico ibride all’avanguardia. Gli Edlc si caratterizzano per l’elevata densità di potenza, i tempi più rapidi di carica/scarica, l’ampia gamma di temperature operative e la prolungata vita utile rispetto alle batterie, grazie alla capacità di immagazzinare energia per separazione fisica. Tuttavia finora, nonostante gli evidenti vantaggi, la bassa densità energetica rappresentava un collo di bottiglia per i condensatori, a paragone delle batterie o dei sistemi redox a flusso. Oggi, con la nuova serie HL di Panasonic, il problema è risolto.

Condensatori in oro dalle caratteristiche straordinarie

La capacitanza dipende dall’area della superficie e dalla porosità degli elettrodi. Al momento la ricerca si sta concentrando sui materiali nanostrutturati, che supportano lo stoccaggio di più cariche. Poiché la desolvatazione degli ioni avviene in pori più piccoli di quelli degli ioni solvatati, Panasonic è riuscita a ottenere valori di capacitanza elevati per il proprio condensatore elettrochimico a doppio strato, utilizzando elettrodi di carbonio con pori sub-nanometrici. Il trattamento dei materiali con carbonio attivo influisce sulla struttura porosa della superficie degli elettrodi - e ciò che è importante, in questo caso, è l’accessibilità dei pori all’elettrolita. La mobilità degli ioni all’interno dei pori è diversa da quella degli ioni nel corpo della soluzione elettrolitica e dipende dalle dimensioni dei pori: se sono troppo piccoli per consentire un accesso agevole agli ioni elettrolitici non contribuiscono alla capacitanza del doppio strato. Pertanto è necessario scegliere una dimensione dei pori adatta all’elettrolita, assicurandosi che la distribuzione di tale misura sia ottimale, in base alla dimensione degli ioni. Tutto questo ha consentito a Panasonic di progettare la sua nuova serie HL di dispositivi a elevata densità energetica che raggiungono una capacitanza fino a 1.000 volte superiore a quella dei condensatori elettrolitici in alluminio. La combinazione di nanomateriali pseudocapacitivi, tra cui ossidi, nitruri e polimeri, con l’ultima generazione di elettrodi al litio nanostrutturati ha avvicinato la densità energetica dei condensatori elettrochimici a quella delle batterie e ha migliorato le prestazioni di carica e scarica a confronto delle batterie secondarie. Grazie allo sviluppo di un elettrolita esclusivo, Panasonic è riuscita a ridurre il deterioramento di caratteristiche quali la capacitanza e la resistenza interna, sviluppando un condensatore elettrico a doppio strato con conduttore radiale che vanta un ciclo di vita garantito di 2.000 ore. Ciò consente ai progettisti di circuiti di alimentazione di utilizzare meno condensatori al momento del progetto iniziale. I nuovi condensatori elettrici a doppio strato HL di Panasonic offrono tutte le qualità necessarie per permettere di completare una varietà di applicazioni che richiedono cicli rapidi di carica/scarica, come prolungata vita utile, output di corrente elevato e ampia gamma di temperature.

Applicazioni differenziate

Questi supercondensatori, a capacitanza e output elevati, possono sfruttare soluzioni di stoccaggio dell’energia installabili in spazi ristretti. Quando vengono utilizzati come fonti di alimentazione ausiliarie nell’output di picco, consentono di ridurre le dimensioni degli alimentatori, aggiungere una funzione in grado di produrre un output superiore e migliorare le prestazioni complessive. Attualmente, proprio perché gli ultracondensatori dispongono di un alto livello di energia e potenza, si sta sviluppando una molteplicità di nuove applicazioni per gli Edcl. Di seguito alcune applicazioni possibili per gli ultracondensatori.

• Archiviazione e backup dei dati della memoria cache in caso di interruzione di alimentazione - Più interessanti per il tipico progettista sono le applicazioni consumer, informatica e comunicazioni. Spesso i supercondensatori vengono integrati in questi dispositivi allo scopo di proteggerne la memoria. Un’altra applicazione comune è l’alimentazione di riserva interna. Infatti i supercondensatori possono fungere da sostituzione della batteria o da alimentazione di riserva ridondante a breve termine. In questo senso, gli Edcl sono in grado di alimentare il dispositivo per un breve periodo. Nelle applicazioni di questo genere le batterie sono l’alternativa dei condensatori. Tuttavia, di solito non durano a lungo, quindi devono essere sostituite periodicamente. Inoltre i dispositivi consumer tendono oggi a essere talmente economici che una batteria potrebbe costare fino al 20% del prezzo del dispositivo. Di conseguenza gli Edcl costituiscono l’opzione ideale come alimentatori di riserva.

• Veicoli elettrici - I veicoli elettrici a batteria sono affetti da limitazioni quali la bassa densità di potenza, i cicli di carica/scarica limitati, l’elevata dipendenza dalla temperatura e i tempi di ricarica prolungati. Gli ultracondensatori, per la loro stessa tecnologia, sono immuni da questi limiti, sebbene anch’essi presentino svantaggi quali la bassa densità di energia e i costi elevati. La combinazione di dispositivi di stoccaggio può rappresentare un’alternativa valida. I requisiti di carico di picco associati all’accelerazione o allo sforzo su salite ripide possono essere soddisfatti da dispositivi ad alta potenza come i banchi di supercondensatori. Inoltre il ricorso ai supercondensatori rende possibile la frenata a rigenerazione.

• Applicazioni per l’energia rinnovabile - Nelle applicazioni solari fotovoltaiche è necessario sostituire le batterie ogni 3-7 anni, in quanto tendono a logorarsi. Ma i supercondensatori si caricano e scaricano rapidamente e supportano cicli più estesi di quelli delle batterie, quindi possono essere sostituiti ogni 20 anni. Eliminando la necessità di frequenti interventi di manutenzione, si riducono anche i costi del ciclo di vita. L’efficienza energetica costituisce sempre un aspetto chiave per produrre energia in modo rinnovabile e i supercondensatori dimostrano un’efficienza di carica superiore a quella delle batterie. Una batteria acida al piombo, ad esempio, può perdere fino al 30% di energia durante il caricamento. Gli Edcl, dal canto loro, possono perderne solo il 10%. La capacità di funzionare con efficienza in un’ampia gamma di temperature è un ulteriore vantaggio dei supercondensatori. Alcune stazioni remote possono essere ubicate in climi freddi e, se si utilizzano batterie per lo stoccaggio di energia, è essenziale mantenere la temperatura prossima a quella ambientale ricorrendo a sistemi ausiliari, che impongono costi e consumi aggiuntivi.