Supercondensatori flessibili: tanta capacità in poco spazio

I supercondensatori flessibili costituiscono una grande novità nel mondo dei componenti elettronici. Essi sono utilizzabili con successo nei nuovi dispositivi leggeri e portatili. La loro strutturazione è basata sull’utilizzo di un elettrodo flessibile stratificato, per unire la pieghevolezza strutturale all’alta densità di potenza intrinseca. Inoltre ogni componente dei supercondensatori flessibili, come ad esempio, gli elettrodi e l’involucro, è flessibile. L’articolo verte sugli attuali progressi nei nuovi materiali utilizzati, sulle tecniche di fabbricazione e sulla ricerca della maggiore densità di potenza di questi straordinari componenti di accumulo di energia.

Introduzione

Per la loro capacità di flessione meccanica, i supercondensatori di questa tipologia si abbinano perfettamente ai dispositivi indossabili, all’abbigliamento e alle scarpe da ginnastica. Tali componenti possono accumulare e liberare energia elettrica come una normale batteria (processo di carica e scarica), ma con una rapidità molto maggiore (vedi figura 1).

Se si dovessero sostituire le batterie con i supercondensatori, un cellulare potrebbe essere ricaricato in pochi secondi per una autonomia di diverse settimane. Per questi motivi, a volte, possono risultare pericolosi e devono essere maneggiati con molta prudenza. Le applicazioni indossabili e portatili, in genere, richiedono compattezza e flessibilità meccanica per un adattamento completo alla zona ospitante. I dispositivi flessibili di accumulo di energia sono, quindi, estremamente importanti per lo sviluppo di tali soluzioni.

Il loro utilizzo, ovviamente, è esteso in altri settori critici come, ad esempio, quelli militari e medicali. Il supecondensatore sta, gradatamente, conquistando il mercato per alcune caratteristiche che, spesso, risultano migliori rispetto a quelle delle batterie.

Attualmente sono in fase di sperimentazione alcune tecniche per creare dei supercondensatori flessibili che non solo immagazzinano più energia rispetto a dispositivi equivalenti, ma che possono anche essere ricaricati completamente in pochi secondi e continuare questo processo per decine di migliaia di volte, senza influire sulle prestazioni o sulle capacità. Per questi ultimi modelli, i supercondensatori flessibili:

  • sono caratterizzati da una capacità di carica e scarica estremamente rapida. Questo si traduce in un altissima quantità di energia in breve tempo;
  • hanno una maggiore durata operativa e la loro flessibilità meccanica consente un utilizzo con un raggio di 360°;
  • riescono a immagazzinare una elevata densità di potenza.

A differenza dei supercondensatori convenzionali, che sono costituiti da un involucro esterno, i supercondensatori flessibili sono formati da una rete di carbonio altamente conduttiva e flessibile che funge sia da elettrodo che da collettore di corrente.

Figura 1: struttura generale di un supercondensatore flessibile

Tipologie

Attualmente esistono due tipologie di supercondensatori flessibili:

  • condensatori elettrici a doppio strato (EDLC);
  • pseudocondensatori (PC).

I primi immagazzinano energia grazie alle cariche accumulate tra l’elettrolita e l’elettrodo. La carica accumulata tra queste due interfacce può essere determinata attraverso la seguente equazione:

dove:

  • ε è la costante dielettrica dell’elettrolita;
  • S è la superficie dell’interfaccia dell’elettrodo;
  • δ è la distanza dal centro dello ione all’interfaccia dell’elettrolita.

Nei secondi, le cariche sono immagazzinate grazie a un processo faradaico. Inoltre essi hanno una capacità maggiore rispetto agli EDLC, ma sono caratterizzati da costi più elevati e scarsa stabilità ciclica. La carica accumulata tra queste due interfacce può essere determinata attraverso la seguente equazione:

Per rendere flessibili questi componenti, specialmente gli pseudocondensatori, si possono utilizzare diversi substrati flessibili economici ed ecologici (ad esempio di metallo, di carta, di tessuto e di spugna). I substrati metallici, specialmente quelli in acciaio, hanno il pregio di essere altamente conduttivo e di possedere una elevata resistenza meccanica. I substrati di plastica, ovviamente, hanno una conduttività elettrica molto limitata.

Materiali

La tecnologia è alla continua ricerca di nuovi materiali che costituiscono i supercondensatori, allo scopo di aumentare la densità di energia (vedi esempio in figura 2). Gli pseudocondensatori utilizzano materiali attivi redox nanostrutturati e ossidi di metalli (RuO2, NiO, Co3O4, ecc) e hanno mostrato una grande densità di energia e promettono una migliore conservazione della carica.

Ovviamente occorre anche selezionare i composti che non inquinano l’ambiente. Altre sostanze che agevolano le reazioni redox sono i solfuri di metalli delle terre rare e i calcogenuri di metalli di transizione. Un miglioramento, rispetto ai processi precedenti, si ottiene utilizzando una nuova tecnica, che consente di disporre su più strati delle nanoparticelle pseudocapacitive di metallo (Au) e ossido di metallo (MnO) su un substrato di carta flessibile, formando degli elettrodi per un componente caratterizzato da un’alta densità di energia e di potenza.

Alcune tipologie di supercondensatori multifunzionali sono fabbricati integrando un elettrolita polimerico composito di nanoparticelle di silice liquida ionica e elettrodi aerogel di grafene con strutture porose controllate. L’altissima compatibilità tra l’elettrolita e gli elettrodi porosi, assieme alla stabilità termica ed elettrochimica dell’elettrolita polimerico, consentono di ottenere supercondensatori ad alte prestazioni con una capacità elevata che può raggiungere anche i 1000 Farad.

Essi riescono a mantenere una estrema stabilità a lungo termine e una durata meccanica, dopo molti cicli di piegatura e di flessioni anche ad alte temperature. Esistono anche nuovi modelli composti da carta, che risultano leggeri e flessibili e sono estremamente indicati per le applicazioni portatili.

Esistono altre sperimentazioni che riguardano l’utilizzo della schiuma di grafene. Il componente, combinato con una cella solare flessibile, forma una fonte di alimentazione per i dispositivi indossabili. Esso è di tipo EDLC ed è costruito da una pila di strati assemblata in un film plastico PET. A ogni modo le aziende sono alla continua ricerca di materiali che, di giorno in giorno, mostrano sempre più alte potenzialità nelle applicazioni che favoriscono l’accumulo dell’energia.

Figura 2: un esempio di supercondensatore flessibile

Condensatori flessibili sotto forma di cavo

Il condensatore basato su cavo (CBC) è fisicamente flessibile e può essere utilizzato dentro una infrastruttura, avvolto attorno ai PCB o piegato all’interno di contenitori di ridotte dimensioni. Risulta piegato, ovviamente, anche durante il suo normale funzionamento. Il CBC è un supercondensatore flessibile progettato per risparmiare spazio nelle applicazioni elettriche (vedi in figura 3).

Esso somiglia a un filo e si usa fuori dai circuiti stampati. Può anche essere utilizzato per compensare la capacità dei condensatori nel circuito stampato, per ridurre le dimensioni del circuito finale. Essi si possono collegati in serie e in parallelo per combinare le diverse esigenze di capacità e tensione. Come tutti i supercondensatori, la tensione di lavoro è molto bassa, nell’ordine di 1.5 V e le temperature di esercizio non possono superare, in genere, i 70° C.

Tali dispositivi sono caratterizzati da diversi vantaggi come, ad esempio, il fattore di forma è flessibile e a forma di filo, le dimensioni sono ridotte, a tutto vantaggio dello spazio e dell’estetica e possono essere direttamente utilizzati nella infrastruttura di cablaggio. Inoltre i supercondensatori sono progettati per caricare e scaricare energia molto rapidamente. Hanno un’elevata densità di potenza e una bassa resistenza in serie equivalente (ESR). Riducono le fluttuazioni di tensione aumentando la qualità dell’alimentazione e l’efficienza del sistema riducendo, nel contempo, le interferenze elettromagnetiche. Alcune applicazioni tipiche prevedono i seguenti utilizzi:

  • luce d’emergenza;
  • sistemi di energia rinnovabile;
  • misurazione avanzata e intelligente;
  • sistemi di backup;
  • sistemi automobilistici;
  • raccolta di energia;
  • dispositivi IoT, automazione e sicurezza.

Il CBC è compatibile con i processi di saldatura manuale e saldatura ad onda, con le dovute precauzioni. Essi devono risultare, infatti, i più brevi possibile pena il degrado delle prestazioni. L’involucro del supercondensatore è parte attiva del circuito e deve essere racchiuso e montato in modo sicuro. I CBC sono delicati e non si devono piegare alle estremità in corrispondenza del termoretraibile.

Figura 3: un condensatore a cavo di 3F e 1.6V (capacitechenergy.com)

Conclusioni

I supercondensatori flessibili, dunque, sono molto interessanti per la loro eccellente densità di potenza. Purtroppo i costi di produzione risultano ancora alti, ma è solo una questione di tempo.

In ogni caso, essi costituiscono una tecnologia per l’accumulo di energia in rapido progresso e rispettosa dell’ambiente. Con le ultime scoperte nel campo chimico, le aziende sono riuscite a ottenere un aumento significativo della densità di energia, producendo modelli di supercondensatori ibridi. Il futuro di questi componenti è senz’altro roseo, vista la continua scoperta di nuovi materiali. La sfida delle aziende, adesso, è quella della progettazione e dell’ottimizzazione di nuovi elettroliti, in quanto i supercondensatori sono, oggi, decisamente importanti, a causa delle nuove necessità legate alla fornitura di energia elettrica in ambienti difficili e di ridotte dimensioni. Pertanto, la sfida critica in questo campo è sviluppare supercondensatori flessibili con potenza e densità di energia maggiori per unità di superficie rispetto a quelli dei dispositivi di accumulo esistenti.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.