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Supercondensatori: l’alternativa alle batterie tradizionali

Supercondensatori: delle pile viste da vicino
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I supercondensatori sono dispositivi dedicati allo stoccaggio di energia. Hanno questa denominazione perché sono in grado di immagazzinare una grande quantità di energia elettrica in un piccolo volume. Normalmente, quando pensiamo a stoccare energia associamo subito questo concetto alle batterie. Esse necessitano però di un consistente periodo di tempo per essere ricaricate (e conseguentemente scaricate, qualora dovessimo trasferirne la carica), a causa delle loro proprietà chimiche. A oggi, le due tecnologie più sviluppate sono le batterie al piombo e quelle al litio. Queste, ad ogni modo, si portano dietro degli svantaggi non indifferenti, come la profondità di scarica limitata.

Se consideriamo che tale valore è del 50% per le batterie al piombo e del 30 per quelle al litio capiamo che la loro utilità come dispositivi dediti allo stoccaggio è tutt’altro che perfetta. Inoltre, il ciclo di vita di questi prodotti è fortemente dipendente dall’utilizzo che se ne fa. A soluzione di tutto ciò ci sono gli accumuli a supercondensatori. Questi dispositivi altamente tecnologici stanno riscuotendo sempre maggior successo e qualcuno è persino arrivato a definirli rivoluzionari.

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Come sono fatti i supercondensatori?

Supercondensatori: delle pile disposte a triangolo
I supercondensatori servono a stoccare energia

I supercondensatori non si differenziano da quelli tradizionali soltanto nel nome. Vi sono infatti un paio di motivi fondamentali a rimarcare le differenze tra i due. L’area delle piastre di un supercondensatore è considerevolmente superiore rispetto a quella del dispositivo tradizionale. In aggiunta, lo spazio che le divide, separandole le une dalle altre, è notevolmente più stretto. Tipicamente, un condensatore presenta due piastre rivestite da materiale poroso metallico. Queste forniscono un’area molto ampia per la conservazione della carica, e sono separate da un dielettrico in ceramica. A condensatore carico, la polarizzazione delle due piastre dà origine a un campo elettrico.

Il dielettrico ceramico, una volta polarizzato, allinea le molecole in direzione opposta al campo elettrico, riducendone la forza. In questa maniera consente alle piastre di immagazzinare più carica. Nel supercondensatore non si ha il dielettrico tradizionale. Si sfruttano infatti due piastre, immerse in un elettrolita e separate da uno strato molto sottile di plastica, che funge da induttore. Quando le piastre vengono caricate, la carica si forma su entrambi i lati di questo elemento, creando un doppio strato elettrico. Tali caratteristiche, combinate, consentono al supercondensatore di raggiungere capacità di immagazzinamento maggiori.

Gli elettrodi di un supercondensatore, solitamente, sono in carbonio poroso o ossido di metallo. L’elettrolita, fondamentale nel sistema, è un liquido conduttivo che consente alla carica elettrica di fluire tra i vari elettrodi.

Come funzionano i supercondensatori

Il funzionamento del supercondensatore si basa sul principio fisico dell’accumulo di carica elettrica sulla superficie degli elettrodi. Questi ultimi formano un doppio strato elettrostatico. Quando una differenza di potenziale viene applicata agli elettrodi, gli ioni nel liquido elettrolita si muovono, attratti dagli elettrodi. Non appena li raggiungono, si accumulano sulla loro superficie. Questo processo crea una ulteriore differenza di potenziale tra gli elettrodi, la quale genera un campo elettrico capace di immagazzinare l’energia.

La quantità di energia immagazzinabile dipende principalmente dall’area superficiale degli elettrodi e dalla distanza tra loro. Maggiore sarà l’area e minore la distanza tra gli elettrodi, più elevata sarà la quantità di energia che si può immagazzinare. Durante la scarica, gli ioni si muovono dall’elettrodo positivo a quello negativo. Nel farlo, generano una corrente elettricaQuesto processo può avvenire molto rapidamente, permettendo al supercondensatore di rilasciare l’energia immagazzinata in tempi molto brevi. I condensatori tradizionali non sono in grado di farlo.

Metodi di ricarica

In base alle caratteristiche e alle dimensioni i supercondensatori possono essere ricaricati in diversi modi. I principali metodi di ricarica sono 5:

  • carica costante: ai terminali del supercondensatore si applica una corrente costante. È il metodo più semplice per ricaricarlo, e funziona in tutto e per tutto come se caricassimo smartphone, tablet o laptop. Lo svantaggio è che il tempo necessario per una carica al 100% è piuttosto lungo.
  • Carica pulsata: tramite l’applicazione di una serie di impulsi di corrente si ricarica il supercondensatore. È un metodo più rapido del precedente ma richiede un controllo accurato della forma d’onda degli impulsi, al fine di evitare eventuali surriscaldamenti.
  • Carica a tensione costante: applicando una tensione costante ai terminali, la corrente di carica varia in base alla resistenza interna e alla tensione di carica. Il tempo necessario può variare ma, tendenzialmente, si colloca tra quello necessario per la costante e quanto ne occorra per la pulsata.
  • Carica a corrente costante con tensione di fine carica: l’applicazione della corrente costante porta la tensione del supercondensatore fino a un valore specifico. Dopodiché, la corrente viene ridotta fino a quando si raggiunge l’adeguata tensione di fine carica.
  • Carica rapida: In un periodo di tempo molto breve si applica una tensione a corrente molto alta. È il metodo più veloce in assoluto, come suggerisce il nome stesso, ma può surriscaldare il supercondensatore.

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Mattia Mezzetti

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