I supercondensatori e il loro rapporto con le batterie

La necessità di disporre di fonti affidabili per l'immagazzinaggio dell'energia è cresciuta sensibilmente con l'avvento dell'Internet delle cose (IoT), dell'Industrial IoT (IIoT), dell'elettronica portatile e di applicazioni come gli impianti industriali e i data center. Le batterie forniscono energia diretta ai dispositivi più piccoli, mentre nelle applicazioni più grandi sono spesso utilizzate come alimentazione di riserva in caso di interruzione dell'alimentazione primaria.

I dispositivi di piccole dimensioni si affidano spesso a batterie agli ioni di litio (Li-ion) o a pile alcaline per raggiungere gli obiettivi di dimensioni ridotte e manutenzione minima. Le celle agli ioni di litio richiedono un'attenzione particolare ai limiti del ciclo di ricarica e alla sicurezza. Le batterie utilizzate come riserva possono consumarsi rapidamente dopo una ricarica rapida e devono essere sostituite. Queste batterie richiedono inoltre sistemi di gestione complessi e presentano ancora il potenziale di fuga termica, con conseguenti problemi di sicurezza.

I condensatori a doppio strato elettrico (EDLC), o supercondensatori, sono una tecnologia complementare alle batterie. Mentre le batterie possono fornire energia per periodi relativamente lunghi, i supercondensatori possono fornire energia velocemente ma per brevi periodi. I supercondensatori sono anche ecocompatibili, non sono soggetti a fuga termica e possono funzionare in modo affidabile fino a 20 anni. Possono essere utilizzati come unico metodo di immagazzinaggio dell'energia, in combinazione con le batterie o come dispositivo ibrido per ottimizzare la distribuzione di energia elettrica.

Questo articolo descrive brevemente i supercondensatori e li confronta alle batterie. Esamina quindi alcune applicazioni tipiche, standalone e in combinazione con le batterie. Sono utilizzati i supercondensatori di Eaton a scopo illustrativo.

Differenze tra supercondensatori e batterie

Un supercondensatore è un dispositivo di immagazzinaggio dell'energia con una capacità di potenza specifica insolitamente elevata rispetto ai dispositivi di immagazzinaggio elettrochimico come le batterie. Le batterie e i supercondensatori svolgono funzioni simili nell'erogazione di energia, ma funzionano in modo diverso. Un supercondensatore funziona come un condensatore classico, in quanto il profilo di scarica per una corrente di scarica costante presenta una diminuzione lineare della tensione. A differenza di una batteria, l'immagazzinaggio dell'energia in un supercondensatore è di tipo elettrostatico, quindi non si verificano cambiamenti chimici nel dispositivo e le operazioni di carica e scarica sono quasi completamente reversibili. Ciò significa che può tollerare un numero maggiore di cicli di carica e scarica.

Le batterie immagazzinano energia per via elettrochimica. Il profilo di scarica delle batterie agli ioni di litio è piatto: ha una caratteristica di tensione quasi costante fino a quando la batteria non è quasi completamente scarica. A causa del degrado dei meccanismi chimici, il numero di cicli di carica-scarica in una batteria agli ioni di litio è limitato. Fattori come la temperatura, la tensione di carica e la profondità di scarica impattano la riduzione di capacità della batteria.

Le batterie agli ioni di litio sono soggette a fuga termica, autoaccensione e persino esplosione. La generazione di calore è inevitabile a causa delle reazioni chimiche durante la carica e la scarica dovute al riscaldamento resistivo. Per questo motivo, le batterie richiedono il monitoraggio della temperatura per garantire la sicurezza dell'utente.

Confronto tra le specifiche dei supercondensatori e delle batterie agli ioni di litio

Le batterie forniscono un'elevata densità energetica. I supercondensatori hanno una densità energetica inferiore a quella delle batterie, ma un'alta densità di potenza perché possono essere scaricati quasi istantaneamente. I processi elettrochimici in una batteria richiedono più tempo per fornire energia a un carico. Entrambi i dispositivi hanno caratteristiche che si adattano a specifiche esigenze di immagazzinaggio dell'energia (Figura 1).

Figura 1: Confronto delle caratteristiche dei supercondensatori e delle batterie agli ioni di litio. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Il confronto tra la densità energetica, in wattora per litro (Wh/L), e la densità di potenza, in watt per litro (W/L), mostra la differenza più significativa tra i dispositivi. Ciò influisce anche sui tempi di scarica; i supercondensatori sono destinati a fornire energia per brevi intervalli (eventi transitori), mentre le batterie forniscono energia in eventi di lunga durata. Il supercondensatore si scarica in pochi secondi o minuti, mentre una batteria può fornire energia per diverse ore. Questa caratteristica ha conseguenze sulla loro destinazione d'uso.

I supercondensatori supportano un intervallo della temperatura di funzionamento più ampio rispetto alle batterie. Anche i processi elettrostatici quasi privi di perdite contribuiscono alla loro maggiore efficienza e alla velocità di ricarica.

Esempi di supercondensatori

Eaton offre una linea completa di supercondensatori affidabili per applicazioni di immagazzinaggio dell'energia che richiedono un'elevata densità di potenza e una ricarica rapida. Il confezionamento fisico dei supercondensatori è talvolta simile a quello delle batterie, in particolare delle batterie a bottone. Sono disponibili anche in contenitori cilindrici come i condensatori convenzionali (Figura 2).

Figura 2: I supercondensatori sono disponibili in contenitori cilindrici standard con conduttori radiali; alcuni sono confezionati in modo corrispondente ai formati delle batterie agli ioni di litio. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Il modello TV1030-3R0106-R di Eaton illustrato nella Figura 2 (a sinistra) è un supercondensatore da 10 F con una tensione massima di lavoro di 3 V. È fornito in un contenitore cilindrico con conduttori radiali e ha un diametro di 10,5 mm e un'altezza di 31,5 mm. Ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -25 °C e +65 °C e un intervallo di funzionamento esteso da -25 °C a +85 °C se declassato per funzionare a 2,5 V o meno. Può immagazzinare 12,5 mW/h di energia e produrre una potenza di picco di 86,5 W. La sua durata è di 500.000 cicli di carica/scarica.

I supercondensatori possono sostituire le batterie a bottone in molte applicazioni, come l'alimentazione di memoria tampone. KVR-5R0C155-R di Eaton (Figura 2, a destra) è un supercondensatore da 1,5 F con una tensione massima di lavoro di 5 V. Le dimensioni del contenitore sono simili a quelle di una batteria a bottone da 20 mm. Può erogare una potenza di picco di 0,208 W. L'intervallo della temperatura di funzionamento si estende da -25 °C a +70 °C. La sua durata è di 500.000 cicli di carica/scarica.

Aumento della densità energetica dei supercondensatori

L'energia immagazzinata in un supercondensatore è proporzionale alla sua capacità e al quadrato della tensione a cui viene caricato. Pertanto, la densità energetica può essere incrementata aumentando il numero di celle collegate in parallelo. È possibile ottenere densità energetiche più elevate creando moduli di supercondensatori con capacità elevata e tensioni di lavoro superiori (Figura 3).

Figura 3: La densità energetica di un supercondensatore può essere aumentata aggiungendo più celle e aumentando la tensione di lavoro. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Il supercondensatore PHVL-3R9H474-R di Eaton (Figura 3, a sinistra) è un dispositivo da 470 mF, 3,9 V con celle doppie. Ha una resistenza equivalente in serie (ESR) molto bassa, pari a 0,4 Ω, per ridurre le perdite di conduzione, e può erogare una potenza di picco di 9,5 W. Vanta un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +65 °C. Come i supercondensatori precedentemente discussi, ha una capacità di 500.000 cicli di carica/scarica. Il contenitore fisico è alto 14,5 mm, lungo 17,3 mm e largo 9 mm.

I contenitori di supercondensatori modulari possono fornire quantità significative di energia ausiliaria. XLR-16R2507B-R di Eaton (Figura 3, a destra) ha una capacità di 500 F e funziona con una tensione massima di 16,2 V. Il modulo ha una ESR di 1,7 mΩ e può fornire una potenza di picco di 38,6 kW. L'intervallo della temperatura di funzionamento si estende da -40 °C a +65 °C (temperatura delle celle). Il contenitore è alto 177 mm, lungo 417 mm e largo 68 mm.

Supercondensatori ibridi

Gli sforzi per far coincidere le caratteristiche dei supercondensatori e delle batterie agli ioni di litio hanno dato vita a un supercondensatore ibrido chiamato condensatore agli ioni di litio (LiC). Questo aumenta la densità energetica del supercondensatore, pur offrendo tempi di risposta più rapidi rispetto a una batteria. Il LiC ha una struttura asimmetrica che utilizza un anodo di grafite drogata di litio e un catodo di carbone attivo (Figura 4).

Figura 4: Il supercondensatore ibrido combina le caratteristiche di un supercondensatore e di una batteria agli ioni di litio. Ha un numero maggiore di cicli di carica/scarica rispetto a una batteria e regimi di scarica più elevati. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

La struttura del supercondensatore ibrido unisce la natura elettrochimica della batteria al litio con le proprietà elettrostatiche del supercondensatore per offrire un notevole vantaggio ai progettisti. Il movimento di carica nel LiC è un processo elettrochimico, ma avviene con una profondità minore rispetto a quella di una batteria, il che comporta un numero maggiore di cicli di carica/scarica e regimi di scarica più elevati. Il profilo di scarica risultante è molto simile a quello di un supercondensatore.

Ad esempio, HS1016-3R8306-R è un supercondensatore ibrido da 30 F, 3,8 V, alloggiato in un contenitore cilindrico con conduttori radiali. Ha una ESR di 0,55 Ω e può fornire una potenza di picco di 6,6 W. L'intervallo della temperatura di funzionamento è compreso tra -15 °C e +70 °C, con un intervallo di funzionamento esteso da -15 °C a +85 °C, declassato per funzionare a 3,5 V o meno. Ha una durata nominale di 1.000 ore alla tensione nominale e alla massima temperatura di funzionamento. Le dimensioni del contenitore sono 18 mm di altezza e 10,5 mm di diametro. Come il supercondensatore, ha una capacità di 500.000 cicli di carica/scarica.

Grafici della densità di energia e di potenza

Le distribuzioni di densità di energia e di potenza dei dispositivi di immagazzinaggio offrono una chiara idea sulla loro utilità ed effettiva durata operativa (Figura 5).

Figura 5: Grafico di dispersione della densità di energia rispetto alla densità di potenza dei dispositivi a batteria e a supercondensatore con indicazioni sulla loro durata operativa. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Il grafico mostra la densità di energia rispetto alla densità di potenza. Il rapporto tra questi parametri si traduce nel tempo, anch'esso tracciato sul grafico. I dispositivi ad alta densità di energia ma bassa densità di potenza sono nell'angolo in alto a sinistra. Questi includono celle a combustibile e batterie. I dispositivi ad alta densità di potenza ma a bassa densità di energia, come i condensatori tradizionali e i supercondensatori, sono nell'angolo in basso a destra. I supercondensatori ibridi si collocano tra questi due gruppi. Si noti la scala temporale di ciascuno: i supercondensatori funzionano nell'ordine dei secondi, gli ibridi dei minuti e le batterie delle ore o più.

Applicazioni di immagazzinaggio dell'energia

I dispositivi di immagazzinaggio dell'energia forniscono energia quando viene a mancare quella primaria. Un buon esempio è la fornitura di potenza di riserva per la memoria di un computer. In passato sono state utilizzate le batterie, ma ora i supercondensatori le stanno sostituendo per via del loro numero di cicli di carica/ricarica significativamente più elevato. Inoltre, con i supercondensatori non è più necessario sostituire le batterie dopo un anno di funzionamento.

I supercondensatori sono utilizzati anche nei progetti IoT e IIoT che si basano sull'energy harvesting. Trovano usi simili nei veicoli, dove immagazzinano l'energia recuperata dalla frenata (frenata rigenerativa).

I supercondensatori forniscono una potenza elevata per brevi periodi. Possono essere applicati per fornire energia in installazioni critiche che hanno bisogno di colmare i circa dieci secondi di ritardo fino all'entrata in funzione di un generatore di emergenza. Il supercondensatore si ricarica all'incirca nello stesso tempo necessario per scaricarlo e quindi può essere rimesso in funzione rapidamente dopo un'interruzione di corrente.

Conclusione

I supercondensatori sono complementari alle batterie nella maggior parte delle applicazioni di immagazzinaggio dell'energia. I livelli di potenza più elevati e immediatamente disponibili e i rapidi tempi di ricarica li rendono ideali per il supporto energetico a breve termine. L'elevato numero di cicli di carica/ricarica senza degrado delle prestazioni riduce i costi di manutenzione e di inventario per la sostituzione delle batterie.