La tecnologia dei condensatori si sta espandendo oltre le schede a circuiti stampati, poiché vi è una sempre maggiore richiesta di una nuova generazione di supercondensatori in grado di eseguire applicazioni di archiviazione dell'energia, a supplemento o addirittura in sostituzione delle batterie nelle applicazioni che includono archiviazioni di dati, dispositivi indossabili, veicoli elettrici e reti intelligenti.
Secondo uno studio di Lux Research, si prevede che il mercato per i supercondensatori raddoppierà, portandosi a 836 milioni di dollari USA nel 2018 rispetto ai 466 milioni di dollari USA del 2013.
I condensatori convenzionali si trovano in molti sistemi elettronici odierni, con miliardi di unità spedite ogni anno per quasi tutti i mercati di prodotti e applicazioni, dai computer, alle cuffie wireless, ai televisori e ai veicoli. Ampiamente utilizzati per la regolazione della potenza, i condensatori trattengono le cariche elettriche mediante coppie di conduttori separate da un isolatore.
Benché siano a volte paragonati alle batterie, i condensatori presentano differenze di base in termini di composizione e prestazioni e ciascuno di essi è idoneo a vari utilizzi. I condensatori sono componenti passivi, che raccolgono le cariche elettriche dai circuiti, le immagazzinano per un breve periodo di tempo e le rilasciano tutte in una volta. Al contrario, le batterie sono la fonte di energia dei sistemi elettronici. Le batterie immagazzinano l'energia elettrica in celle elettrochimiche. Possono includere ingenti quantità di cariche elettriche per lunghi periodi di tempo e rilasciarle lentamente.
Supercondensatori
Tuttavia, l'introduzione di nuovi tipi di supercondensatori sta pian piano annullando la differenza fra i condensatori e le batterie.
I supercondensatori sono in grado di immagazzinare una quantità di energia per singolo volume 100 volte superiore rispetto ai condensatori elettrolitici. Inoltre, possono caricarsi e scaricarsi molto più rapidamente delle batterie. Inoltre, i supercondensatori sono in grado di supportare molti più cicli di carica e scarica rispetto alle batterie ricaricabili convenzionali.
Altri vantaggi dei supercondensatori includono una maggiore densità di potenza, una capacità di fornitura di potenza di picco superiore, dimensioni più compatte e una minore resistenza di serie equivalente (ESR). Infine, i supercondensatori possono rilasciare la carica lentamente, come le batterie convenzionali.
I supercondensatori attuali sono composti di carbonio attivo. Tuttavia, i ricercatori stanno studiando materiali che garantiscano migliori prestazioni, come il grafene e il carbonio nanostrutturato. Gli scienziati stanno inoltre sviluppando dispositivi che uniscono le caratteristiche e la tecnologia di supercondensatori e batterie.
Salvataggio di dati con i supercondensatori
I supercondensatori stanno sostituendo le batterie nelle applicazioni in cui è necessario avere alti livelli di potenza per brevi periodi di tempo. Una di tali aree è la potenza di backup per l'archiviazione dati. Questa applicazione può sfruttare i punti di forza dei supercondensatori, poiché richiede livelli medi o alti di corrente per brevi intervalli di tempo.
I prodotti specifici includono le unità a stato solido (SSD) e i sistemi di array ridondanti di dischi indipendenti (RAID). I sistemi RAID sono progettati per proteggere i dati, ad esempio in caso di interruzioni dell'alimentazione. Un'interruzione del flusso di elettricità può causare la perdita delle informazioni memorizzate nella memoria volatile.
I progressi nel campo delle memorie hanno consentito di sostituire le batterie con i supercondensatori nelle applicazioni di backup di potenza RAID. Per aiutare i tecnici a sviluppare sistemi di backup RAID, Linear Technology Corp. offre una serie di microchip utilizzabili con un supercondensatore. La soluzione Linear Technology si compone del caricatore del supercondensatore LTC®3625, del controller LTC4412 PowerPath™ e del convertitore CC/CC LTM®4616 a doppia uscita μModule®.
Dai condensatori per hub ai supercondensatori
Il grafene consente di creare nuovi tipi di supercondensatori, ideali per l'uso nei veicoli elettrici (EV).
L'Istituto Gwangju di scienza e tecnologia in Corea ha annunciato la creazione di supercondensatori in grafene in grado di immagazzinare la stessa quantità di energia delle batterie a ioni di litio, ma di caricarsi in appena 16 secondi. Questo tipo di prestazioni risulta utile per il recupero dell'energia utilizzata al momento della frenata, che richiede una carica rapida.
Soluzione a griglia
La tecnologia emergente dei supercondensatori potrebbe essere anche applicata all'immagazzinamento delle nuove reti elettriche intelligenti.
La produzione di elettricità grazie all'energia solare ed eolica sta crescendo rapidamente. Tuttavia, l'imprevedibilità di questo tipo di generazione di energia sta ostacolando l'adozione di queste fonti di energia rinnovabili. L'energia solare è in grado di produrre potenza solo quando il sole splende, mentre quella eolica funziona esclusivamente quando c'è vento.
L'immagazzinamento a griglia può risolvere il problema accumulando l'energia rinnovabile per un utilizzo futuro. Tuttavia, i supercondensatori e le batterie convenzionali presentano limiti in termini di capacità e velocità di carica.
I ricercatori del Drexel University’s College of Engineering hanno affrontato questo problema con lo sviluppo di una tecnologia che combina elementi delle batterie e dei supercondensatori.
Il condensatore di flusso elettrochimico (EFC) di Drexel si compone di una cella elettrochimica collegata a due serbatoi di elettroliti esterni, un design simile al tipo di batterie a flusso utilizzate negli EV.
Il design dell'EFC ne consente la costruzione su scala sufficiente per l'immagazzinamento di ingenti quantità di energia, analogamente a una batteria. Allo stesso tempo, consente il rapido ritiro dell'energia in base alle esigenze, analogamente a un condensatore.
Importanti sviluppi dei microcondensatori
Il California NanoSystems Institute della UCLA ha annunciato di avere sviluppato un supercondensatore ibrido che include le caratteristiche delle batterie e dei supercondensatori. Secondo l'UCLA, il nuovo supercondensatore ibrido è in grado di immagazzinare ingenti quantità di energia, si ricarica rapidamente e ha una durata superiore a 10.000 cicli di ricarica. UCLA ha anche annunciato una versione a microsupercondensatore della stessa tecnologia.
I componenti della tecnologia UCLA combinano grafene a laser (LSG) e biossido di manganese. Gli elettrodi LSG sono in grado di immagazzinare cariche elettriche, sono altamente conduttivi e si caricano e si scaricano rapidamente. Il biossido di manganese è lo stesso materiale utilizzato oggi nelle batterie alcaline per la sua capacità di trattenere ingenti quantità di energia. Il biossido di manganese è inoltre estremamente disponibile e a basso costo.
Il microsupercondensatore annunciato dalla UCLA ha un fattore di forma compatto, ideale per l'utilizzo in dispositivi indossabili o persino impiantabili. Nonostante abbia uno spessore di un quinto di un foglio di carta, il microsupercondensatore può immagazzinare il doppio di carica di una batteria al litio a pellicola sottile media.
Capacità di cambiamento
Benché molte di queste tecnologie siano ancora alle prime fasi di sviluppo, i supercondensatori potrebbero rivestire un ruolo sempre più importante nell'immagazzinamento dell'energia, a supplemento o addirittura in sostituzione delle batterie in molte nuove applicazioni.