Supercondensatori

I supercondensatori (SC) o ultracondensatori sono sistemi di accumulo di energia elettrochimica che hanno una capacità di potenza estremamente elevata quando sono completamente carichi. La tecnologia dei supercondensatori inizia con lo studio di Helmholtz, che, nel 1853, rivelò che le cariche elettriche possono essere mantenute non solo sulla superficie di un conduttore ma anche sull’interfaccia a “doppio strato” elettrodo-elettrolita.

A differenza delle batterie, l’accumulo di carica nei supercondensatori e avviene mediante l’adsorbimento e il desorbimento fisico degli ioni all’interno dei pori degli elettrodi quando viene applicata una tensione esterna.

Quando la carica elettronica si accumula in un elettrodo, viene bilanciata all’interfaccia da una carica ionica uguale e opposta nell’elettrolita. Questo meccanismo di accumulo della carica dà luogo a tempi di carica e scarica rapidi e a cicli di vita lunghi, proprietà caratteristiche che rendono i supercondensatori dispositivi attraenti per integrare le batterie che, invece, possono immagazzinare e fornire più energia ma con tempi di carica e scarica più lenti.

Batterie e supercondensatori

I tipici condensatori utilizzati nei circuiti elettronici immagazzinano solo piccole quantità di elettricità mentre i supercondensatori possono immagazzinare una carica migliaia, milioni o addirittura miliardi di volte più grande. Essi hanno capacità stimate fino a diverse migliaia di farad, che costituiscono solo una frazione dell’energia elettrica che può accumulare una batteria.

I supercondensatori possono inoltre immagazzinare e rilasciare energia quasi istantaneamente, molto più rapidamente di una batteria infatti mentre le batterie hanno una densità di energia più elevata i supercondensatori hanno una densità di potenza più elevata.

Le batterie immagazzinano energia potenziale in forma chimica attraverso reazioni di trasferimento di carica che si verificano sulla superficie dell’elettrodo quando viene applicata una tensione a un sistema. Hanno una grande densità di energia che consente loro di immagazzinare notevoli quantità di carica ma la loro densità di potenza, è estremamente bassa, il che significa che richiedono ore per caricarsi.

Inoltre, le reazioni collaterali che avvengono nelle batterie limitano il numero di cicli di carica che la batteria può sopportare. D’altra parte, i condensatori immagazzinano la loro energia elettrostaticamente sotto forma di energia potenziale nel campo elettrico senza l’uso di reazioni chimiche.

Ciò significa che sono in grado di subire infiniti cicli di carica senza degradazione e che il loro assorbimento di carica non è limitato sotto il profilo cinetico, consentendo una densità di potenza molto elevata. Il principale difetto dei condensatori, tuttavia, è che la loro densità energetica complessiva è molto bassa, il che si traduce in una quantità estremamente limitata di carica che può essere immagazzinata per unità di area nel dispositivo.

Funzionamento

I supercondensatori sono costituiti da collettori di corrente, elettrodi, elettroliti e separatori permeabili agli ioni situati tra gli elettrodi per evitare il contatto elettrico. L’accumulo di energia nei supercondensatori avviene principalmente nell’interfaccia tra elettrodi ed elettroliti.

Quando il supercondensatore non è carico, tutte le cariche vengono distribuite in modo casuale all’interno della cella mentre quando viene applicata tensione ai capi di un supercondensatore, le cariche positive e negative si accumulano sui rispettivi elettrodi, creando un doppio strato elettrico (EDL) all’interfaccia che allinea sia le cariche positive che quelle negative lungo i confini degli elettrodi e della soluzione elettrolitica. Questo EDL agisce come un dielettrico, consentendo al supercondensatore di immagazzinare una quantità significativa di energia

Quest’area funge da luogo di stoccaggio della carica elettrica. Per espandere i confini di queste aree, viene utilizzato il carbone attivo perché è poroso e presenta numerosi fori sulla sua superficie che aiutano a coprire un’ampia superficie che consente di immagazzinare un gran numero di portatori di carica

La formazione del doppio strato elettrico è causata principalmente dall’aumento o dalla diminuzione degli elettroni della banda di conduzione ad alta energia sulla superficie dell’elettrodo, che provoca il movimento delle cariche positive e negative nella soluzione elettrolitica sul lato dell’interfaccia, che viene utilizzata per bilanciare lo squilibrio di carica causato dal cambiamento degli elettroni della banda di conduzione ad alta energia sulla superficie dell’elettrodo.

Considerando che la densità di carica sulla superficie dell’elettrodo dipende dalla tensione applicata, la capacità elettrica del doppio strato differisce a seconda della tensione. La reazione elettrochimica nel condensatore elettrico a doppio strato avviene principalmente sulla superficie dell’elettrodo e di solito è il comportamento di adsorbimento e desorbimento di anioni e cationi.

Classificazione

Vi sono diversi metodi di classificazione dei supercondensatori ma, in generale si adotta una classificazione sulla base del meccanismo di accumulo di energia o sulla base degli elettroliti. Sulla base del meccanismo di accumulo di energia i supercondensatori possono essere classificati come condensatori elettrochimici a doppio strato (EDLC), pseudocondensatori e supercondensatori ibridi (HSC).

I condensatori elettrochimici a doppio strato hanno una resistenza interna maggiore rispetto ai condensatori elettrolitici in alluminio e presentano le caratteristiche del condensatore ma ha anche le caratteristiche della batteria. Un EDLC è  un sistema di accumulo dell’energia elettrica basato sul processo di carica-scarica  in un doppio strato elettrico su elettrodi porosi, che vengono utilizzati come dispositivi di backup della memoria a causa del loro ciclo elevato efficienze e i loro lunghi cicli di vita.

Alla base del funzionamento vi è il fenomeno di formazione del doppio strato elettrico basato su due elettrodi immersi in un elettrolita. Il doppio strato elettrico è un fenomeno che si verifica all’interfaccia solido-soluzione elettrolitica durante il processo di carica ad ogni elettrodo.

Poiché la capacità del condensatore è direttamente proporzionale alla superficie degli elettrodi, si prediligono i materiali che mostrano inerzia  elettrochimica con maggiore area superficiale specifica e dalla appropriata geometria delle cavità, allo scopo di formare un doppio substrato con il massimo numero di ioni elettrolitici. L’elettrolita può essere del tipo solido o in soluzione organica o acquosa.

Gli elettroliti organici si ottengono sciogliendo dei sali quaternari in solventi organici mentre gli elettroliti acquosi sono costituiti tipicamente da idrossido di potassio o da acido solforico. Recentemente, gli EDLC sono stati proposti come fonte di alimentazione secondaria per i veicoli elettrici ibridi a causa della loro maggiore densità di potenza e della capacità di carica-scarica rapida.

Gli pseudocondensatori (PC), a differenza dei condensatori EDLC, sfruttano le reazioni redox invece dell’attrazione elettrostatica delle cariche e in essi l’immagazzinamento della carica faradica avviene sugli elettrodi. Nel processo di carica e scarica avviene un passaggio di carica dall’elettrolita all’elettrodo e viceversa.

Questi dispositivi utilizzano elettrodi costituiti da materiali redox-attivi come gli ossidi dei metalli di transizione e, in particolare l’ossido di rutenio. Questi elettrodi immagazzinano la carica attraverso meccanismi di reazione faradaica reversibili, vicino all’elettrodo o sulla superficie dell’elettrodo dove le cariche vengono trasferite attraverso l’interfaccia metallo-elettrolita.

I supercondensatori ibridi (HSC) sono realizzati dalla combinazione di materiali per condensatori elettrici a doppio strato (EDLC), vari tipi di materiali pseudocapacitivi e di tipo batteria e sono dispositivi di accumulo di energia con proprietà caratteristiche sia degli EDLC che degli pseudocondensatori per fornire prestazioni migliori.

Sono costituiti da due diversi tipi di materiali per elettrodi, un separatore per isolare elettricamente i due elettrodi e un elettrolita. I materiali degli elettrodi sono generalmente costituiti da rispettivamente ossidi metallici e materiali derivati ​​dal carbonio. L’elettrodo positivo costituito da materiale attivo subisce una reazione redox e le cariche vengono immagazzinate mentre l’elettrodo negativo realizza l’immagazzinamento tramite capacità a doppio strato come avviene nel caso dell’EDLC.