Tanta energia in più con i Supercondensatori

L’energia elettrica svolge indubbiamente un ruolo estremamente importante nella vita di oggi. E’ impensabile immaginare la nostra civiltà senza di essa. Gradatamente tutto ciò che funziona con altre tipologie di energia sta passando all’elettricità, soprattutto al fine della salvaguardia del nostro pianeta. Una delle grosse questioni ancora non risolte o, meglio, risolte parzialmente, è quella dell’immagazzinamento dell’elettricità in tempi veloci. Osserviamo le soluzioni attuali e future per risolvere brillantemente il problema, grazie soprattutto ai supercondensatori.

  1. Introduzione
  2. Cosa sono e come funzionano i supercondensatori
  3. Differenze con i condensatori tradizionali e le batterie
  4. Tanta energia disponibile
  5. Record di potenza: i più grossi supercondensatori al mondo
  6. I vari modelli sul mercato
  7. Applicazioni ed usi
  8. ESR dei condensatori elettrolitici: un parametro spesso sconosciuto
  9. Un metodo di costruzione dei supercondensatori
  10. Uno sguardo alla serie “M” di supercondensatori di Omega

Supercodensatori: cosa sono,
come funzionano e quali
vantaggi hanno.

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Introduzione

I sistemi più utilizzati per immagazzinare l’elettricità oggi sono due: le batterie e i condensatori. Le prime possono contenere enormi quantità di energia, ma richiedono molte ore per caricarsi. I secondi, al contrario, si possono caricare in tempi estremamente brevi, ma riescono a trattenere solo piccole quantità di energia. Al fine di ottenere i vantaggi di entrambi, in modo da immagazzinare e mettere a disposizione grandi quantità di elettricità in tempi molto rapidi, si utilizzano i supercondensatori. Le batterie e i condensatori immagazzinano entrambi l’elettricità, ma in modalità completamente diverse. Le batterie non ricaricabili nascono in fabbrica piene di energia e si possono utilizzare una volta sola. Esse sono pronte all’uso e si possono usare subito, senza alcun intervento. Vani sono i tentativi di ricaricarle poiché la scarica sconvolge totalmente la struttura chimica interna e tutte le sostanze si esauriscono, inibendo ulteriori reazioni. La loro dismissione è dannosa per l’ambiente. Il loro funzionamento si basa su interne reazioni chimiche. Nelle batterie ricaricabili le reazioni chimiche sono bidirezionali ed esse possono essere caricate e scaricate diverse volte. L’unità di misura della tensione elettrica è il Volt (V). I suoi sottomultipli e i multipli sono i seguenti:

  • microvolt (uV) = 0,000001 V;
  • millivolt (mV) = 0,001 V;
  • volt (V) = 1 V;
  • kilovolt (kV) = 1000 V;
  • megavolt (MV) = 1000000 V.

I condensatori possono immagazzinare una minima quantità di energia, paragonandoli alle batterie, ma la loro carica o scarica può avvenire istantaneamente, in quanto la loro resistenza interna è quasi nulla e non intervengono reazioni chimiche particolarmente lente. Per il loro funzionamento i condensatori non implicano alcun tipo di reazione chimica. L’unità di misura della capacità elettrica è chiamata Farad (F). I suoi sottomultipli sono i seguenti:

  • picofarad (pF) = 0.000000000001 F;
  • nanofarad (nF) = 0.000000001 F;
  • microfarad (uF) = 0.000001 F;
  • millifarad (mF) = 0.001 F;
  • farad (F) = 1 F (si tratta di una capacità enorme, la Terra ha una capacita di 1 milliFarad).

Un condensatore è formato da due piastre metalliche conduttive (non connesse tra loro) e separate da un materiale isolante chiamato dielettrico. Quando si sottopone un condensatore a un potenziale elettrico, le cariche elettriche si accumulano sulle piastre ma non circolano in quanto tra loro è presente l’isolante. E’ proprio tale accumulo che si traduce in energia immagazzinata. I condensatori (vedi un esempio di Omega Fusibili S.p.A in figura 1), rispetto alle batterie, possono essere ricaricati e scaricati milioni di volte, sono leggeri e non contengono sostanze tossiche, ma non possono racchiudere la stessa quantità di energia di una batteria, a parità di peso. L’energia immagazzinata in un condensatore dipende dallo spessore e dalla qualità del dielettrico e dalla dimensione delle due armature.

Figura 1: un supercondensatore da 2,7 Volt e 3000 Farad, una quantità di energia enorme

Il supercondensatore di cui sopra ha caratteristiche di tutto rispetto:

  • materiale: acetonitrile;
  • tensione di lavoro: 2,7 V;
  • temperatura d’esercizio: da -40° C a +65° C;
  • corrente: 143 A;
  • massima ESR: 0,23 milliOhm (equivalente a 0,00023 Ohm).

Una ESR (equivalent series resistance) così bassa fa subito comprendere come sia possibile un passaggio di corrente estremamente elevato.


Supercodensatori: cosa sono, come funzionano e
quali vantaggi hanno.

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Cosa sono e come funzionano i supercondensatori

Esistono sostanziali differenze tra i condensatori tradizionali e i supercondensatori (vedi relativa struttura in figura 2). Questi ultimi dispongono di armature dalla superficie molto grande (anche se incapsulati con efficienza negli appositi involucri) e il dielettrico è estremamente sottile e composto da materiali speciali. Anche per questo motivo non possono essere utilizzati per tensioni molto elevate. L’area delle armature è maggiore in quanto le piastre sono realizzate in metallo e rivestite da una sostanza porosa che ne aumenta a dismisura la superficie.

Figura 2: la generica struttura interna di un supercondensatore

In effetti essi riescono a trattenere maggiore energia negli strati multipli su superfici maggiori e un dielettrico sottilissimo, spesso quanto una molecola, praticamente inesistente. Un super condensatore può immagazzinare una carica enormemente più grande di un tradizionale condensatore e fornisce un’efficienza quasi del 100%. Questo avviene quasi istantaneamente ed esso può rilasciare energia molto più rapidamente anche se le batterie risultano ideali per accumulare grandi quantità di energia per molto tempo. Si comprende, dunque, come un supercondensatore può risultare anche pericoloso. La scarica immediata dell’energia di un Farad può causare un’esplosione anche abbastanza importante. Dal momento che i supercondensatori operano a tensioni molto limitate, per via del minimo spessore del dielettrico, essi possono essere collegati in serie e in parallelo per aumentare corrente e tensione. La figura 3 mostra il comportamento di scarica di due supercondensatori da ben 500 Farad e 2,7 VL. Essi sono collegati in serie per aumentare il loro voltaggio a 5,4 V (proprio come le batterie) e alimentano un carico molto piccolo, un diodo Led preceduto dalla relativa resistenza di limitazione. La loro ESR è pari, nell’esempio, a 0,00023 Ohm. Dopo aver provveduto alla loro carica, che avviene istantaneamente, i due condensatori riescono a illuminare il semiconduttore luminoso per ben 120000 secondi, pari a 33 ore. Dopo di che, i condensatori continuano a fornire ancora energia ma poiché tale valore è al di sotto dei 2 V, soglia minima per il funzionamento del diodo LED, quest’ultimo non si accenderà.


Figura 3: la scarica dei condensatori dura circa un giorno e mezzo, con questa tipologia di carico

L’energia “estratta” dai due condensatori è enorme, circa 3250 joule, ed è pari al risultato dell’integrale nel tempo del prodotto della tensione e della corrente che scorre nel circuito, come si può osservare dalla formula di figura 4. Con due supercondensatori da 5000 Farad l’energia fornita in 120000 secondi sale a 11597 joule. A titolo di esempio, basti ricordare che un joule è la quantità di energia elettrica necessaria per accendere un LED da 1 W per un secondo e l’esplosione di 1 litro di benzina sprigiona circa 45 Megajoule.

Figura 4: la formula per integrare l’energia fornita dai due condensatori

Ancora più impressionante è il processo di carica di un supercondensatore, che avviene in tempi rapidissimi. L’esempio di figura 5, suppone due differenti scenari, uno con generatore ideale e l’altro con generatore reale. I parametri operativi sono i seguenti:

  • generatore ideale di energia da 2,7 V con resistenza interna inesistente (primo caso);
  • generatore reale di energia da 2,7 V con resistenza interna di 0,0025 (secondo caso);
  • supercondensatore da 500 Farad, 2,7 VL e ESR di 0,00023 Ohm;

Nelle condizioni ideali il supercondensatore si carica in circa 1 secondo, un tempo sorprendentemente basso. In realtà tutte le batterie sono caratterizzate dalla presenza di una resistenza interna più o meno importante che limita la corrente in uscita e le allontana parecchio dal comportamento esplosivo dei condensatori. In linea di massima, il seguente elenco fornisce le resistenze interne delle pile e delle batterie più comuni:

  • zinco carbone 9 V: 35 Ohm;
  • AA alcaline: 0,15 Ohm;
  • AA verdi: 0,02 Ohm;
  • batteria al Piombo da 12 V e 60 Ah: 0,0025 ohm.

Nelle condizioni reali il supercondensatore si carica in circa 8 secondi, un tempo sempre veloce e di tutto rispetto. Le curve del grafico evidenziano l’andamento della tensione di ricarica sul condensatore. Nel caso ideale, la resistenza che incontra la corrente è solamente quella del condensatore (0,00023 Ohm). Nel caso reale, invece, la resistenza è quella del condensatore (0,00023 Ohm) più quella interna della batteria (0,0025 Ohm).

Figura 5: la carica di un supercondensatore avviene in tempi estremamente rapidi

Differenze con i condensatori tradizionali e le batterie

Esaminiamo, innanzitutto, alcune differenze sostanziali (vantaggi e svantaggi) che contraddistinguono i condensatori e le batterie:

  • Batterie
    • possono contenere un’enorme quantità di energia;
    • risultano lente sia nel processo di carica che di scarica;
    • il loro costo è importante;
    • esistenza di limitazioni nella corrente erogata;
    • sono pesanti e ingombranti;
    • la loro vita media di funzionamento è limitata;
    • possono utilizzare materiali nocivi e tossici.
  • Supercondensatori
    • la quantità di energia immagazzinata è minore di quella delle batterie;
    • possono caricarsi e scaricarsi in un tempo quasi immediato;
    • i costi sono estremamente abbordabili;
    • pesano poco e occupano uno spazio limitato;
    • il loro ciclo di vita è, praticamente, illimitato;
    • ottime prestazioni in qualsiasi intervallo di temperatura;
    • auto-scarica naturale;
    • non prevedono reazioni chimiche, pertanto non utilizzano materiali pericolosi per la salute umana.

Le batterie e i condensatori sembrano simili poiché immagazzinano e rilasciano energia elettrica. Tuttavia ci sono differenze sostanziali che influiscono sul loro funzionamento. In un supercondensatore le cariche dell’elettrolita sono allineate su entrambi i lati per immagazzinare una carica su doppio strato. Quando la corrente elettrica entra in un condensatore tradizionale, il dielettrico interrompe il flusso e la carica si accumula in un campo elettrico tra le armature. Quando poi un condensatore si collega a un carico, esso si scaricherà più o meno rapidamente. In un supercondensatore non c’è dielettrico tra le armature ma un elettrolita e un isolante estremamente sottile. Quando la corrente è introdotta nel supercondensatore, gli ioni si accumulano su entrambi i lati dell’isolante. I supercondensatori sono caratterizzati da una tensione molto bassa di funzionamento ma da una capacità molto elevata. La presenza di un’alta tensione, al contrario, penetrerà nell’elettrolita. Le batterie, invece, si distinguono per la composizione chimica. Essa è costituita da un terminale positivo (catodo), un terminale negativo (anodo) e l’elettrolita. La batteria si carica e si scarica attraverso una reazione chimica che genera una tensione. La batteria è in grado di fornire una tensione continua costante. E’ possibile produrre il processo inverso, ricaricando il generatore.

Tanta energia disponibile

Come detto in precedenza, il supercondensatore fa parte di una nuova tipologia di componenti elettronici. Esso è in grado di accumulare una quantità di energia molto grande, risultando decisamente differente da un normale condensatore. La sua concezione a doppio strato permette un accumulo di energia con una densità straordinariamente alta. In un piccolo spazio si racchiude un dispositivo eccezionale, con una capacità migliaia di volte più grande rispetto al più potente condensatore elettrolitico tradizionale (vedi figura 6). A tale proposito è importante considerare la potenza specifica quale unità di misura utilizzata per confrontare diverse tecnologie. Essa equivale alla potenza massima divisa per la massa totale del dispositivo. I supercondensatori hanno una potenza specifica anche dieci volte maggiore di quella delle batterie. Ad esempio, alcune batterie al litio hanno una potenza specifica di 3000 W/kg, mentre un tipico supercondensatore ha una potenza specifica di 10000 W/kg. Uno dei grandi aspetti positivi di questa nuova tipologia di componente è quello legato alla elevata velocità di ricarica. In pochi secondi, infatti, è possibile “riempire” un supercondensatore di energia, a patto che la sorgente sia capace di erogarla in tutta sicurezza e potenza. I supercondensatori, infatti, hanno tempi di carica e scarica paragonabili a quelli dei normali condensatori. Inoltre questi straordinari serbatoi non necessitano di alcuna manutenzione e, se trattati con la dovuta cura, essi possono fornire il loro aiuto per tutta la vita. Inoltre il supercondensatore non utilizza metalli pesanti e altre sostanze chimiche nocive. Si può tranquillamente affermare che esso costituisce un nuovo tipo di alimentazione verde.

Figura 6: un solo super condensatore da 10 Farad commercializzato da Omega Fusibili S.p.A. equivale a ben 1000 condensatori elettrolitici da 10000 microFarad

Record di potenza: i più grossi supercondensatori al mondo

Allo stato attuale i ricercatori e le aziende di tutto il mondo sono alla continua ricerca di nuove tecnologie e ulteriori miglioramenti sui progressi attuali circa i supercondensatori. Un solo componente elettronico di poche centinaia di grammi riesce a contenere una quantità enorme di energia. Ma, allo stato attuale, quali sono le maggiori capacità fin’ora disponibili? Quale è la maggiore densità di accumulo attualmente presente sul mercato? Per rispondere alle domande è necessario, ovviamente, eseguire una meticolosa ricerca sulla rete e sfogliare i cataloghi dei produttori. Si capisce bene che alla carenza di una determinata capacità elettrica sopperisce un collegamento in parallelo di due o più elementi capacitivi, e questo determina, facilmente, un aumento proporzionale dei valori finali, assieme ai relativi prezzi e ingombri. Attualmente uno dei più grossi supercondensatori al mondo (preso come unico elemento) ha la capacità di circa 5000 Farad con una resistenza interna (ESR) di soli 0.25 milliOhm. La tensione di lavoro (VL), ovviamente, è quella intrinseca dei supercondensatori, ovvero di 2.7 V. In caso di cortocircuito dei due terminali, un breve calcolo ci esibisce il passaggio di una corrente iniziale di spunto pari a 10800 Ampere, con una dissipazione di potenza di circa 29160 Watt. Si tratta di valori impressionanti, non teorici ma del tutto pratici che si manifestano solo nei primi istanti dalla chiusura del circuito, ma che potrebbero risultare devastanti. Con i supercondensatori, infatti, i progettisti devono avere la consapevolezza di poter disporre di enormi quantità di energia e che la stessa deve essere utilizzate in tutta sicurezza. Si immagini, per un istante, se la tecnologia di tali componenti potesse mettere a disposizione del mercato degli elementi caratterizzati da un VL di 10 o 100 Volt, quali risultati potrebbero essere ottenuti. Probabilmente tale risultato non potrà mai essere raggiunto, proprio per motivi fisici di rottura del dielettrico e di insorgenze di archi voltaici. I supercondensatori da 3000 Farad sono, ormai, una consuetudine e i costi si stanno drasticamente abbassando. Per quanto riguarda la densità di potenza, alcuni costosi modelli possono anche raggiungere i 100000 W/kg, che risulta più alto del livello di densità di potenza di una batteria. In questo campo, purtroppo, esistono anche aziende che “re-wrappano” i condensatori con caratteristiche più importanti, immettendo nel mercato modelli di componenti con valori molto più lievitati, rispetto ai componenti originali. Ma è sufficiente eseguire dei test statici e dinamici sugli stessi per scoprire subito l’imbroglio. Per quanto riguarda i supercondensatori di Omega Fusibili S.p.A, il catalogo mette a disposizione degli utenti finali un ventaglio molto ampio di modelli, ideali per ogni esigenza. Come è possibile osservare in figura 7, attualmente il modello più capace fa parte della serie XL, realizzato in acetonitrile, con una capacità di ben 3000 Farad a 2.7 V massimi, per una corrente di 140 A e una ESR di soli 0.23 milliOhm.

Figura 7: il super condensatore di Omega Fusibili S.p.A. della serie XL è il modello più capace con i suoi 3000 e una ESR di soli 0.23 milliOhm

I vari modelli sul mercato

Come detto in precedenza, la Omega Fusibili S.p.A mette a disposizione degli utenti finali un catalogo molto completo e con modelli di supercondensatori ideali per qualsiasi esigenza. Vediamo, più in dettaglio, alcuni prodotti in elenco, assieme alle caratteristiche più rilevanti (serie, tensione, capacità, temperatura e materiale), come mostrato in figura 8.

  • SERIE B: 2.5 V, 0.22 F ~ 2.2 F, -25° C ~ +70° C, Polypropylene Carbonate;
  • SERIE HB: 2.5 V, 3 F ~ 110 F, -25° C ~ +70° C, Polypropylene Carbonate;
  • SERIE HV: 2.7 V, 1 F ~ 100 F, -40° C ~ +65°C, Acetonitrile;
  • SERIE M: 2.5 V, 1 F ~ 9 F, -40° C ~ +60° C, Acetonitrile
  • SERIE PA: 5 V, 0.22 F ~ 0-47 F, -25° C ~ +70° C, Propylene carbonate
  • SERIE PB: 5 V, 0.1 F ~ 1 F, -25° C ~ +70° C, Propylene carbonate
  • SERIE PHB: 5 V, 1.5 F ~ 5 F, -25° C ~ +70° C, Propylene carbonate
  • SERIE PHV: 5.4 V, 0.5 F ~ 5 F, -40° C ~ +65° C, Acetonitrile Acetonitrile Acétonitrile
  • SERIE PM: 5 V, 0.47F ~ 3F, -40° C ~ +60° C, 50% propylene carbonate
  • SERIE KR: 5.5 V, 0.1 F ~ 1.5 F, -25° C ~ +70° C, Propylene carbonate
  • SERIE KW: 5.5 V, 0.1F ~ 1F, -40° C ~ +85° C, Propylene carbonate Propylene carbonate C
  • SERIE XV-XB: 2.7 V-2.5 V, 300 F ~ 600 F, -40° C ~ +70° C, Propylene carbonate (XB), Acetonitrile (XV)
  • SERIE XL: 2.7 V, 3000 F, -40° C ~ +65° C, Acetonitrile
  • SERIE XVM: 16.2 V, 65 F, -40° C ~ +65° C, Acetonitrile
  • SERIE XLM: 62.1 V, 130 F, -40° C ~ +65° C, Acetonitrile
Figura 8: i supercondensatori di Omega Fusibili S.p.A.

Applicazioni e usi

Gli utilizzi e le applicazioni pratiche e di potenza, dei supercondensatori sono praticamente infiniti. Ne annoveriamo, qui, solo alcune: per contatori, misuratori, per le energie rinnovabili, negli UPS, nei trasporti, nella illuminazione e nelle applicazioni industriali e nel settore automobilistico. Inoltre, per l’alta potenza di scarica in un tempo brevissimo, questi componenti possono essere utilizzati per la fusione del metallo, per creare esplosioni e come saldatori. Si sfrutta la loro capacità (è proprio il caso di dirlo) di immagazzinare una grande quantità energia e rilasciarla completamente in pochi istanti. Un’altra applicazione molto diffusa è nelle turbine eoliche, nelle quali essi smussano l’energia intermittente fornita dal vento. Probabilmente il loro uso massivo è nei veicoli elettrici e ibridi, dove essi fungono da accumulatori temporanei per la frenata rigenerativa, in modo da utilizzare energia che, normalmente, viene sprecata per altri motivi. In tali casi, sono previsti centinaia di supercondensatori collegati in serie e in parallelo allo scopo di immagazzinare la giusta quantità di energia in un tipico freno rigenerativo. Per esempio, i supercondensatori della serie XVM (vedi in figura 9) sono dispositivi ad altissima capacità, che impiegano la struttura del condensatore elettrochimico a doppio strato (EDLC) insieme a nuovi materiali a elevate prestazioni. Questa combinazione di tecnologie avanzate consente un’ampia varietà di soluzioni personalizzate di condensatori per applicazioni specifiche.



Figura 9: i supercondensatori della serie XVM

Si tratta di un modulo ad alte prestazioni e dalle dimensioni compatte, per un facile montaggio come ricambio per una batteria da 12 V. E’ possibile effettuare collegamenti in serie o in parallelo di più moduli, per una tensione, una potenza o un tempo di scarica più elevati. Non ha necessità di alcuna manutenzione. Le applicazioni più importanti riguardano i settori dei computer industriali e energia di back-up di emergenza, l’avviamento del motore elettrico per avvii a freddo, gli spegnimenti graduali dei sistemi per la robotica e gli interruttori elettrici.

Supercondensatori nel settore automobilistico

Le batterie per auto hanno delle limitazioni in termini di durata, erogazione di potenza e inquinamento ambientale. I supercondensatori risolvono i limiti imposti dalle batterie al piombo-acido e agli ioni di litio, offrendo prestazioni di gran lunga superiori. Essi permettono ottimi supporti per avviamenti a caldo e a freddo. Catturano energia rigenerativa durante la frenata e risultano ideali per i sistemi di alimentazione distribuiti consentendo la riduzione di dimensioni, peso e costo del cablaggio. Aiutano a implementare i supporti della trasmissione in veicoli ibridi ma anche in autobus elettrici, camion, biciclette, ecc.

Prospettive per il futuro e conclusioni

La tecnologia odierna dei supercondensatori implica, inevitabilmente, l’analisi di mercato dell’immediato futuro e quello a lungo termine. Le ultime ricerche stanno permettendo un abbandono graduale delle batterie a favore dei supercondensatori indipendenti, anche se la realizzazione di una batteria di supercondensatori autonoma e commercialmente valida potrebbe, ancora, essere lontana. Esistono già prototipi di batterie a supercondensatori che occupano uno spazio molto ridotto, si riempiono rapidamente e si possono ricaricarsi migliaia di volte, senza alcun degrado e declassamento. Attuali studi includono la progettazione di supercondensatori al grafene, per ottenere componenti altamente capacitivi ma dai costi molto ridotti. Il futuro sembra molto brillante per i supercondensatori e si stima che entro il 2027 il mercato di questi componenti dovrebbe aumentare di almeno cinque volte (vedi previsioni in figura 10).



Figura 10: le previsioni del mercato futuro dei supercondensatori sono più che rosee

ESR dei condensatori elettrolitici: un parametro spesso sconosciuto

Di un condensatore elettrolitico, solitamente, si esaminano solamente due parametri fondamentali, la capacità (espressa in Farad o suoi sottomultipli) e la tensione massima sopportata (espressa in volt-lavoro VL). Un errore che si commette spesso è quello di acquistare componenti economici e non soffermarsi a osservare una ulteriore caratteristica molto importante: la ESR. Essa è la resistenza in serie equivalente che decreta la bontà o meno di un condensatore elettrolitico e costituisce una sorta di fattore di merito. La ESR è la resistenza interna che appare in serie al condensatore. Essa è causata dalla resistenza dei collegamenti, quella delle armature e dell’elettrolita.

Condensatore ideale e reale

Purtroppo un condensatore ideale non esiste. I materiali di cui è composto, il dielettrico non perfetto e la resistenza delle armature aggiungono ulteriori grandezze alla sua capacità pura. Pertanto il circuito equivalente di un condensatore comprende quattro elementi reali, osservabili nel diagramma di figura 11:

  • una sua capacità intrinseca (C);
  • una induttanza in serie equivalente (ESL);
  • una alta resistenza in parallelo che ne determina anche l’autoscarica (Rp);
  • una resistenza in serie equivalente (ESR);
  • una piccola capacità parassita in parallelo (Cp).
Figura 11: un condensatore reale ha diversi elementi elettrici che lo caratterizzano


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La ESR, benché sia indicata tramite una resistenza, è dipendente dalla frequenza, dalla temperatura e cambia anche con l’invecchiamento dei componenti. Nel tempo, infatti, l’elettrolita si vaporizza e diminuisce gradualmente, riducendo l’area di contatto, aumentando l’ESR e riducendo la capacità. L’ESR diminuisce anche all’aumentare della temperatura. L’ESR è importante per diverse ragioni. Un alto valore di ESR (corrispondente a un alto valore di resistenza in serie) abbassa l’abilità, da parte di un condensatore, di assorbire rapidamente la carica. E una delle prerogative di tale componente è proprio la velocità di carica o scarica. Inoltre, un aumento dell’ESR corrisponde a un incremento del rumore ad alta frequenza sul condensatore diminuendo, in tal modo, l’efficacia del filtraggio. Una ESR più alta provoca più ondulazione, influenzando negativamente la stabilità del circuito di controllo. Una bassa ESR, tuttavia, non è sempre un fattore ottimale. A volte occorre aumentarla al fine di controllare risonanze indesiderate che potrebbero ridurre le prestazioni alle frequenze in gioco. Oppure ancora, nel caso di immagazzinamento o rilascio di grandi quantità di energia in brevissimo tempo, una bassa ESR può risultare critica e alquanto pericolosa. Esaminiamo le seguenti applicazioni con il relativo grado di criticità della ESR:

  • recupero di energia: una bassa ESR è critica;
  • riserva di potenza: una bassa ESR è preferita e non critica;
  • riserva di memoria: una ESR bassa non è assolutamente critica;
  • dispositivo di potenza principale: una ESR bassa non è critica.

Uno dei condensatori di Omega Fusibili con un valore di ESR più basso è il modello ZPXL60-2R7308T-R, con le seguenti caratteristiche:

  • tensione di lavoro: 2,7 V;
  • materiale: Acetonitrile;
  • capacità: 3000 Farad;
  • temperatura di esercizio: da -40° C a +65° C;
  • corrente: 140 A;
  • ESR: 0,23 milliOhm.

In commercio vi sono opportune strumentazioni per misurare tale importante parametro. Le verifiche possono essere condotte anche attraverso tester, oscilloscopi e generatori di segnali, ma con procedure decisamente più complicate.

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Un metodo di costruzione dei supercondensatori

Un supercondensatore elettrico a doppio strato deve comprendere almeno una coppia di elettrodi polarizzabili e un separatore che sia permeabile per gli ioni ma isolante per gli elettroni. Il materiale inserito tra gli elettrodi è un elettrolita liquido.

Gli elettrodi sono formati da uno strato di particelle di carbonio caratterizzati da una fitta distribuzione di “nanopori”. Una soluzione di supercondensatore può prevedere due elettrodi composti da polveri di carbonio nanostrutturato e appositamente sintetizzato, nei quali le dimensioni dei pori e la superficie specifica può essere controllata selettivamente durante la fabbricazione.

La polvere di carbonio viene lavorata per fabbricare gli elettrodi in modo tale che essi siano adeguati alle dimensioni dei pori. La realizzazione di esempio contempla 4 anodi e 4 catodi collegati in parallelo, come si può usservare in figura 12.

Figura 12: una possibile struttura di un supercondensatore

Il condensatore con doppi strati elettrici prevede in genere una custodia ermetica (5) sigillata da una guarnizione (7). All’interno del contenitore vi sono una o più coppie di elettrodi anodi (1) e catodi (2). Tali elettrodi sono saturati con un elettrolita e isolati tra loro per mezzo di un separatore poroso (4). Gli elettrodi sono collegati meccanicamente ed elettricamente a dei supporti metallici (3) che sono, a loro volta, connessi ai connettori terminali esterni (6).

La parte critica della procedura è dettata dalla possibilità di controllare e “calibrare” la dimensione dei pori degli elettrodi, in modo che essi stessi risultino molto sottili e bilanciati, utilizzando la polvere di carbonio, in un trattamento termochimico di carburi.

Vi sono diversi modi per combinare un metallo con il carbonio, ossigeno e azoto (MCON). Alcuni di questi composti sono più adatti di altri e la diversa combinazione permette di controllare e di variare la dimensione dei nanopori risultanti.

Le stime decretano uno spessore ottimale di elettrodo tra 5 e 150 micron. Inoltre occorre tener presente che gli elettrodi non devono essere fragili in quanto, normalmente, vengono premuti durante l’assemblaggio per ridurre la resistenza in serie equivalente (ESR) del supercondensatore.

La fabbricazione degli elettrodi positivi di un certo spessore può essere ottenuta arrotolando una miscela plastificata di polvere SNC, una o più leganti e alcuni solventi. Gli additivi opzionali per la polvere di carbonio SNC sono colloidali o grafite espansa per aumentare la conduttività, polimeri conduttivi e SiO2 che aumentano la capacità. I successivi passi riguardano la macinazione e l’agitazione della polvere di carbonio scelta, assieme a diversi passaggi di miscelazione a umido. Il materiale da miscelare viene fatto passare attraverso la fessura tra il cilindro caricato a molla e la parete della tazza.

La macinazione è un processo che utilizza un sistema di lame rotanti che taglia il materiale in piccoli pezzi. Il precedente processo di miscelazione potrebbe aver inglobato aria nelle sacche nel materiale. La molatura facilita la rimozione di qualsiasi bolla d’aria. La miscelazione si ottiene passando i materiali attraverso i rulli e comprimendoli.

Questo processo viene ripetuto fino a quando il materiale è accuratamente miscelato. La successiva estrusione viene eseguita per produrre una preforma di nastro duttile, tipicamente minore di 1 mm di spessore e adatta per la compattazione tramite rulli. Questi ultimi pressano il materiale a uno spessore desiderato, tipicamente di circa 100 micrometri.

Per ridurre la resistenza interna del dispositivo, uno strato di alluminio dallo spessore di 2-5 micron può essere avvicinato su un lato degli elettrodi. Tale contatto viene agevolato attraverso una pressatura e una successiva saldatura, solitamente al laser. Le singole celle possono essere prodotte e selezionate in modo che la loro capacità e resistenza interna siano, praticamente, uguali. Per migliorare le prestazioni di un supercondensatore (vedi diagramma in figura 13), possono essere aggiunti all’elettrolita alcuni additivi.

Figura 13: diagramma densità di energia Vs. densità di potenza

Altri metodi prevedono la presenza di un unico film polimerico sottile, tipicamente di 45 micron di spessore e metallizzato su entrambi i lati. Lo spessore della metallizzazione varia da diverse centinaia a diverse migliaia di Angstrom a seconda della particolare applicazione.

Questa metallizzazione funge da elettrodi positivi e negativi (collettori di corrente) separati spazialmente da un dielettrico polimerico a film. La riduzione del volume e della massa aumentano la densità di energia. L’elettrolita può essere selezionato per fornire una tensione delle singole celle fino a 5 volt. Nuove ricerche sono alla ricerca di ulteriori riduzioni di volume, a parità di energia fornita e la tecnologia promette ottimi risultati nei prossimi anni.

Uno sguardo alla serie “M” di supercondensatori di Omega

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quali vantaggi hanno.

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I supercondensatori prodotti da Eaton e commercializzati da Omega Fusibili sono dispositivi che utilizzano l’elettrochimica per la costruzione di esemplari a doppio strato (EDLC) con nuovi materiali ad alte prestazioni.

I supercondensatori della serie “M” (vedi alcuni esemplari in figura 14), come del resto anche le altre famiglie, sono ideali per applicazioni specifiche che prevedono l’erogazione di una corrente di pochi microampere per diversi giorni oppure di parecchi ampere per pochi millisecondi e sono confezionate in celle cilindriche.

Figura 14: alcuni esemplari di supercondensatori della serie “M” commercializzati da Omega Fusibili

Il basso valore di ESR permette, infatti, un passaggio molto intenso di corrente, se il carico ha una bassa impedenza, oppure un basso flusso di elettroni per utenze con alta impedenza, con bassissime perdite e autoscarica nulle. I supercondensatori della serie “M” sono caratterizzati da una tensione di 2.5 Volt, una bassa ESR, un’alta capacità, un’alta densità di energia e una bassa corrente di dispersione per applicazioni di alta potenza e impulsiva. Di seguito alcuni dati di targa:

  • capacità compresa tra 1.0 F e 9.0 F;
  • massima tensione di lavoro di 2.5 V;
  • sovratensione di 3.0 V;
  • tolleranza della capacità compresa tra -20% e +80%, alla temperatura di +20° C;
  • temperatura operativa compresa tra -40°C e +60° C;
  • temperatura operativa estesa compresa tra -40° C e +85° C, con una tensione di lavoro massima di 2.0 V.

 Esaminiamo adesso, a grandi linee, i vari modelli di tale famiglia nella tabella sottostante:

Capacità (F) Codice ESR @ 1 kHz (Ohm) ESR @ 100 Hz (Ohm) Diametro (mm) Lunghezza (mm) Massa (gr.)
1 M0810-2R5105-R 0.210 0.250 8 13 1.2
2 M0820-2R5205-R 0.075 0.100 8 20 1.5
3 M1020-2R5305-R 0.035  0.050 10 20.5 2.8
6 M1030-2R5605-R 0.025 0.035 10 30 3.9
9 M1325-2R5905-R 0.020 0.030 13 26 5.6

La modellizzazione di un supercondensatore non è un’operazione banale (vedi schemi equivalenti in figura 15).

Figura 15: alcuni schemi equivalenti e descrittivi dei supercondensatori

E’ un componente elettronico che non è solo caratterizzato dalla capacità di targa, ma comprende anche un’induttanza parassita inevitabile per la sua geometria, una resistenza in serie dovuta alle resistenze ohmiche del conduttore elettronico e una resistenza parallela dovuta alla corrente di dispersione tra gli elettrodi. La resistenza in serie equivalente (ESR), che è una combinazione della resistenza in serie Rs e della resistenza in parallelo Rp, è responsabile delle perdite elettriche che generano il riscaldamento interno. Per ottenere una potenza elevata, è necessario che il valore ESR sia molto basso. La resistenza in parallelo Rp ha un effetto evidente solo a frequenze molto basse (nell’ordine dei milihertz). Essa è responsabile dell’autoscarica del condensatore. Al contrario, il suo valore deve essere il più alto possibile per limitare la corrente di dispersione. La costante di tempo del primo circuito equivalente è pari a:

t = Rp*C

La capacità e la resistenza in serie hanno valori non costanti nello spettro delle frequenze. Per tenere conto della tensione, della temperatura e delle dipendenze dalla frequenza, si può adottare un altro semplice circuito elettrico equivalente. Un altro schema è composto da una capacità fissa C collegata in parallelo con una capacità variabile Cv. Cv aumenta linearmente con la tensione. Le dipendenze della resistenza in serie e della tensione capacitiva sono attive solo nel dominio delle basse frequenze.

Per ottenere la dipendenza dalla frequenza sono state introdotte la resistenza RT e la capacità CR. Il loro comportamento è quello di un filtro passa basso. La capacità disponibile è massima a bassa frequenza poiché gli ioni nell’elettrolita, per raggiungere la profondità nei pori del carbonio impiegano molto più tempo. A frequenze più elevate solo la parte superficiale del carbonio è accessibile agli ioni e la capacità è molto più piccola. La resistenza in serie è composta da una parte elettronica e una ionica. Il comportamento elettronico proviene dalla resistenza ohmica del conduttore e dalle particelle di carbonio mentre il comportamento ionico deriva dalla mobilità degli ioni nell’elettrolita.

Tutti i supercondensatori, per via del dielettrico estremamente sottile, devono lavorare a tensioni molto basse, mediamente di circa 2.7 V. E’ sufficiente una tensione di 3.5-4 V per “bucare” il dielettrico e porre il componente in corto circuito. Per aumentare la tensione di lavoro è possibile collegare più condensatori in serie, in modo da ripartire tra essi l’intera D.D.P. Così facendo, purtroppo diminuisce proporzionalmente la capacità totale del componente. La soluzione al problema è quella di implementare un collegamento in parallelo-serie, in modo da ottenere i vantaggi di entrambi i metodi. Lo schema elettrico di principio di figura 16 implementa un supercondensatore da 20 F e 10 VL. Ogni condensatore è sottoposto a una tensione massima di 2.5 V, per cui il funzionamento è nei limiti. Il collegamento in serie aumenta il valore VL, quello in parallelo aumenta la capacità.

Figura 16: per ottenere un supercondensatore con un più alto valore VL occorre collegarne diversi in serie

Con una tensione di ingresso pari a 10 V e un resistore di limitazione di 5 Ohm, il supercondensatore equivalente si carica in circa 10 minuti. Il resistore, nei momenti iniziali, dissipa la potenza di ben 20 W.

Redazione Fare Elettronica