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Fatti interessanti dei supercondensatori
Cos'è un Supercap?
Come funziona un super condensatore?
Qual è la differenza tra un supercap e una batteria?
Dove vengono utilizzati i Super-Condensatori?
Come vengono collegati i Super condensatori?
Cos'è un Supercap?
Un supercondensatore, Ultracap, Gold-Cap o anche Supercap è in linea di principio un condensatore in grado di immagazzinare enormi quantità di energia elettrica.
Se viene applicata una tensione di 1 V su un condensatore e quindi per 1 secondo scorre una corrente di 1 ampere, il condensatore ha una capacità di un farad. L'unità 1 Farad è stata chiamata in base al fisico sperimentale inglese, Michael Faraday.
Il valore 1 Farad (1 F) è un valore di capacità molto elevato, che non è assolutamente necessario nei circuiti comunemente disponibili in commercio di dispositivi elettronici. Qui sono necessari condensatori che hanno solo una frazione del valore. I valori comuni sono ad es.:
Millifarad (mF) = 1/1000 Farad
Microfarad (µF) = 1/1000 Millifarad
Nanofarad (nF) = 1/1000 Microfarad
Picofarad (pf) = 1/1000 Nanofarad
Con un supercondensatore, la capacità specifica si sposta a un livello completamente diverso. In questo caso vengono raggiunti valori di capacità fino a un massimo di alcune migliaia di Farad. Di conseguenza, i supercondensatori portano il loro nome a ragione.
Per raggiungere questi elevati valori di capacità, nei supercondensatori sono state sviluppate diverse tecnologie in base alle quali i condensatori sono suddivisi.
Condensatori a doppio strato
Nei condensatori a doppio strato, il carbone attivo viene utilizzato come materiale elettrodo. L'energia elettrica viene immagazzinata in modo statico nei doppi strati sugli elettrodi.
Pseudocondensatori
Gli pseudocondensatori possiedono elettrodi in ossido di metallo o polimeri conduttivi. L'energia elettrica viene immagazzinata elettrochimicamente grazie allo scambio di carica Faradiana.
Condensatori ibridi
I condensatori ibridi, come ad esempio i condensatori agli ioni di litio, utilizzano sia la memoria statica che quella elettrochimica. A tale scopo, hanno un elettrodo con un'elevata capacità a doppio strato e un elettrodo con un'elevata capacità di pseudo-potenza.
Come funziona un supercap?
Funzione di base
Un supercondensatore è costituito da due elettrodi che sono separati l'uno dall'altro meccanicamente ed elettricamente da un separatore .
Nonostante la separazione, il separatore è permeabile agli ioni. Lo scambio di carica è abilitato da un elettrolita contenente ioni a carica positiva (cationi) e ioni a carica negativa (anioni).
Se sul condensatore viene applicata una tensione, su entrambi gli elettrodi si forma un doppio strato di ioni negativi e carichi positivi (vedere figura 2).
A causa delle diverse cariche degli elettrodi, gli strati sono realizzati in modo speculare.
I due strati agiscono come due condensatori, commutati in serie. La capacità totale del condensatore si calcola secondo la formula:
C1 · C2
Ctotale = -------------
C1 + C2
Capacità statica a doppio strato:
Le superfici degli elettrodi sono bagnate dall'elettrolita su una vasta area. Proprio in questa superficie di contatto (limite di fase), dopo l'applicazione di una tensione, si formano due strati ionizzati (vedere figura 2).
In caso di elettrolita bagnato, i due strati vengono separati da una posizione molecolare di molecole d'acqua polari.
Le molecole d'acqua aderiscono sia all'elettrodo che agli ioni.
La separazione del carico agisce in modo simile al dielettrico in un condensatore tradizionale e provoca lo stoccaggio statico dell'energia elettrica in un campo elettrico.
Lo strato estremamente sottile di alcuni nanometri e la superficie enorme degli elettrodi fino a 2500 m² per grammo sono la ragione essenziale per i valori di capacità estremi di questi condensatori.
Capacità elettrochimica:
In un condensatore con capacità elettrochimica simulata, gli ioni riescono a superare lo strato di separazione delle molecole di solventi e a mantenere il contatto diretto con la superficie dell'elettrodo.
In questo modo gli ioni perdono il solvato che li circonda.
Durante la successiva adesione (adsorbimento) si verifica un trasferimento di elettroni (reazione redox) o uno scambio di carica che contribuisce alla pseudo capacità.
Non si verifica un collegamento chimico tra gli ioni Redox e l'anodo.
Il processo è reversibile, in modo da annullare lo scambio di carica durante lo scaricamento del condensatore.
Poiché gli ioni desolverati non hanno più una guaina protettiva di molecole di solvente, essi richiedono una superficie dell'elettrodo senza superficie.
Di conseguenza, la capacità di uno pseudo-strato su un elettrodo adatto con la stessa superficie è molto più alta rispetto a una capacità a doppio strato.
Qual è la differenza tra un supercap e una batteria?
Le differenze tra un supercondensatore e una batteria sono dovute alla densità di energia e alla densità di potenza.
In pratica, ciò significa che una batteria ricaricabile con la sua maggiore capacità o densità di energia può immagazzinare molta più energia rispetto a un supercondensatore con la stessa struttura.
Tuttavia, grazie alla sua maggiore densità di potenza, un Super-Cap può assorbire la quantità di energia in modo molto più rapido e anche più veloce. Tempi di carica brevi e correnti di scarica molto elevate sono così facili da realizzare.
Inoltre, i Supercaps hanno un'elevata resistenza al ciclo e resistono molto più cicli di carica/scarica rispetto alle batterie ricaricabili. La vita è quindi molto più grande. Grazie a queste caratteristiche, i Supercaps possono integrare o addirittura sostituire completamente le batterie utilizzate finora in molte applicazioni.
Batteria ricaricabile e supercap in confronto diretto
Per il confronto sono state selezionate due celle con una struttura e una dimensione approssimativamente uguali.
| Batteria ricaricabile NiMH | Super Condensatore | |
|---|---|---|
| EMMERICH BATTERIA RICARICABILE TIPO NIMH SUB C 2400 MAH FT-1Z |
BATTERIA RICARICABILE EMMERICH NIMH SUB C 2400 MAH FT-1Z |
Condensatore a doppio strato VINATech VEC3R0107QG |
| Capacità | 2400 mAh | 100 F |
| Tensione d'esercizio | 1,2 V | 3 V |
| Energia immagazzinata* | 2,88 Wh | 0,08 Wh |
| Max. Amperaggio | 48 A | 75 A |
| Resistenza interna: | 15 mΩ | 6 mΩ |
| Resistenza ciclica | Min. 500 | Più di 500.000 |
| Dimensioni (Ø x A) | 22,5 x 43 mm | 22 x 45 mm |
| Peso | 54 g | 20 g |
| Intervallo di temperatura | Da 0° C a +45° C | Da -40° C a +65° C |
* il valore è una dimensione puramente matematica a causa dei dati tecnici e non un valore utilizzabile nella pratica.
In conclusione: Tranne per la densità di energia, i supercaps sono superiori alle batterie ricaricabili.
Ma c'è un punto importante da tenere in considerazione: Poiché in molti casi la tensione di esercizio delle singole celle è troppo bassa, le batterie ricaricabili e i Supercaps vengono commutati in serie per aumentare la tensione complessiva. Mentre per le batterie ricaricabili (figura A) la capacità di due celle commutate in serie rimane invariata, per i condensatori (figura B) il valore di capacità si riduce.
Dove vengono utilizzati i Supercaps?
Grazie alla loro enorme capacità, i condensatori a doppio strato possono assorbire, salvare e anche ridistribuire molta energia. Per questo motivo i primi condensatori a doppio strato sono stati utilizzati per alimentare memorie volatili nei più svariati dispositivi. Anche oggi, i supercondensatori sono ancora più preferibilmente utilizzati per l'alimentazione elettrica, come fonti di tensione di backup o per il livellamento del carico.
Tuttavia, i primi supercapacitori avevano ancora un difetto che non poteva essere nascosto a causa della loro elevata resistenza interna. Non possono essere utilizzati per applicazioni ad alta corrente. In questo modo negli anni '80 si sono apportati ulteriori miglioramenti ai materiali dei condensatori e si sono sviluppati elettroliti più conduttivi. In questo modo è stato possibile aumentare notevolmente la capacità e soprattutto la capacità di corrente.
Grazie a queste proprietà, i supercondensatori a bassa resistenza sono richiesti ovunque sia richiesta una capacità di commutazione alta per brevi periodi. Ma anche nei veicoli, dove l'energia viene immagazzinata durante la frenata e viene nuovamente fornita alla guida in accelerazione (KERS o recupero), i supercaps vengono utilizzati volentieri.
Come vengono collegati i Supercaps?
I Supercaps hanno un collegamento positivo e un collegamento negativo a causa della costruzione. In pratica, è necessario prestare molta attenzione affinché il condensatore venga utilizzato correttamente nel circuito.
Un altro importante criterio è la tensione di esercizio. Può essere compreso tra 2,5 V e 5,5 V per celle singole a seconda del tipo di condensatore e della struttura.
Alcuni produttori integrano due condensatori in un unico alloggiamento per raggiungere tensioni di esercizio di 6,0 V o superiori. Poiché queste tensioni sono spesso troppo basse per molte applicazioni, i supercaps vengono spesso collegati in serie. In questo modo, tuttavia, la capacità utilizzabile diminuisce in base alla formula seguente.
1/CTotale = (1/C1) + (1/C2) + (1/C3) + (1/C4)
La capacità ridotta di un circuito in serie viene compensata dal fatto che più catene di condensatori seriali vengono collegate in parallelo. In questo modo si ottiene la necessaria resistenza alla tensione e la capacità richiesta. Tuttavia, il bilanciamento passivo o attivo deve garantire che le singole celle non siano sovraccaricate.
Con il bilanciamento passivo, solo le resistenze di shunt (R) vengono collegate in parallelo al condensatore (vedere la figura A). Ciò può essere fatto con sistemi dinamici che vengono spesso caricati e scaricati. Per i sistemi statici, che sono piuttosto raramente caricati, si dovrebbe fare un bilanciamento attivo. In questo modo, ogni resistenza di shunt viene commutata elettronicamente tramite un interruttore (S) (vedere la figura B).