I supercondensatori colmano il divario tra condensatori elettrolitici e batterie ricaricabili e trovano spazio in un numero crescente di applicazioni.
I supercondensatori sono dispositivi di accumulo dell'energia all'avanguardia che offrono un'ampia gamma di caratteristiche interessanti, tra cui capacità elevata, alta densità di potenza e tempi di ciclo prolungati. Noti anche come ultracondensatori, i supercondensatori colmano efficacemente il divario attualmente esistente tra i condensatori elettrolitici e le batterie ricaricabili.
Un tipico supercondensatore a doppio strato si differenzia da un condensatore convenzionale per due aspetti importanti. Le piastre metalliche di un supercondensatore presentano una superficie molto più ampia rispetto a quella di un condensatore ordinario, e la distanza tra le piastre è notevolmente inferiore, poiché il separatore tra di esse funziona in modo diverso rispetto a un dielettrico convenzionale.
In una batteria, la carica e la scarica sono reazioni elettrochimiche. I supercondensatori immagazzinano la carica elettrostaticamente su piastre con un'area superficiale molto estesa. I dispositivi immagazzinano meno energia, ma possono essere caricati o scaricati in pochi secondi. Per questo motivo, i supercondensatori vengono utilizzati principalmente per fornire brevi picchi di potenza. Almeno per il prossimo futuro, le batterie rimarranno il mezzo preferito per immagazzinare grandi quantità di energia per lunghi periodi di tempo.
Vantaggi dei supercondensatori
Negli ultimi decenni, i supercondensatori si sono evoluti passando dall'essere una scelta progettuale unica ed esotica a una tecnologia su cui fare affidamento quotidianamente, adatta ad applicazioni che spaziano dai backup delle batterie alla prevenzione della perdita accidentale della memoria di archiviazione. Gli ingegneri sono attratti dai supercondensatori per i molteplici vantaggi che questa tecnologia offre, tra cui prestazioni eccellenti e affidabilità.
Una caratteristica fondamentale dei supercondensatori è che possono essere caricati e scaricati centinaia di migliaia di volte in condizioni normali. A differenza di una batteria elettrochimica, che ha un ciclo di vita definito, il funzionamento di un supercondensatore comporta una minima usura. Inoltre, i supercondensatori offrono cicli di carica/scarica più rapidi rispetto alle batterie.
I supercondensatori sono apprezzati per la loro capacità di gestire correnti a livelli che i dispositivi alternativi non possono raggiungere a causa dell'ESR. I supercondensatori sono inoltre in grado di gestire intervalli di temperatura più ampi rispetto alle batterie.
Quando utilizzata come supporto alle batterie, la tecnologia dei supercondensatori può prolungare significativamente la durata delle batterie primarie/secondarie, solitamente di almeno 2 volte.
La sicurezza è un fattore importante da considerare in molti tipi diversi di progettazione di prodotti, in particolare nei dispositivi mobili e indossabili. A differenza di alcuni tipi di batteria, come quelle agli ioni di litio (li-ion), che presentano un rischio di incendio ed esplosione in caso di foratura, sovraccarico, surriscaldamento o cortocircuito, i guasti dei supercondensatori non hanno mai conseguenze catastrofiche. I supercondensatori sono anche ecologici, dato che il loro smaltimento non richiede le stesse precauzioni previste per le batterie
Scopri di più sui vantaggi dei supercondensatori.
Tipi di supercondensatore
Le prestazioni di un supercondensatore dipendono in larga misura dal materiale dell'elettrodo e dall'elettrolita. Gli elettrodi ad elevata superficie di un supercondensatore sono realizzati in materiale poroso. La carica viene solitamente immagazzinata in prossimità del confine esistente tra l'elettrolita e il materiale dell'elettrodo. Nei condensatori a doppio strato, gli elettrodi sono solitamente realizzati in aerogel di carbonio, tessuto di carbonio o nero di carbonio.
Alcuni supercondensatori incorporano un elettrolita acquoso, mentre altri sono dotati di un elettrolita organico. Gli elettroliti organici comunemente utilizzati includono l'acetonitrile e il carbonato di propilene.
I supercondensatori cilindrici sono il cavallo di battaglia di questa tecnologia. I dispositivi sono progettati per fornire a un'ampia platea di ingegneri che si occupano di tecnologia industriale e di consumo una soluzione con caratteristiche ottimali di gestione della potenza di impulso e prestazioni nettamente superiori a quelle della concorrenza, a fronte di costi competitivi.
AVX offre supercondensatori cilindrici in un'ampia gamma di configurazioni di montaggio, tra cui supporti planari da due a quattro terminali, supporti a foro passante, supporti a foro passante con distanziale esteso e supporti a conduttore. Sono disponibili anche moduli collegati in serie.
Applicazioni dei supercondensatori
Sebbene i supercondensatori siano una tecnologia relativamente nuova (almeno se confrontati con i condensatori tradizionali), questi dispositivi sono ormai pronti per essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni. Una delle prime applicazioni dei supercondensatori è stata quella di fungere da backup delle batterie primarie, per sopperire a brevi interruzioni di corrente o per uniformare il flusso elettrico. I supercondensatori, ancora ampiamente utilizzati in questo ruolo, si trovano nei gruppi di continuità (UPS), nei sistemi di allarme wireless, nei contatori intelligenti e persino nelle unità a stato solido (SSD).
I supercondensatori vengono impiegati anche per fornire corrente in applicazioni a impulsi, telemetria, assistenza alla potenza di picco e serrature elettroniche. Inoltre, molti ingegneri scelgono la tecnologia dei supercondensatori per avviare i generatori di riserva durante le interruzioni di corrente e fornire energia fino a quando la commutazione non raggiunge la piena velocità. In Giappone, negli edifici commerciali vengono spesso installati grandi supercondensatori per ridurre il consumo della rete nei momenti di picco della domanda e per alleggerire il carico.
Oggi i supercondensatori sono comunemente utilizzati anche come raccoglitori di energia per catturare e immagazzinare l'energia raccolta da celle solari, turbine eoliche, onde oceaniche e altre fonti esterne per alimentare dispositivi elettronici a basso consumo energetico. I supercondensatori, che possono funzionare in ambienti difficili a un'ampia gamma di temperature operative, offrendo al contempo un'alta densità di potenza e un'elevata affidabilità, sono ideali anche per l'uso in progetti di comunicazione e sensori IoT (Internet of Things).
Sempre più ingegneri impiegano i supercondensatori come dispositivi di accumulo dell'energia ad alte prestazioni, in grado di contribuire alla rapida crescita dell'elettronica a basso consumo. La tecnologia dei supercondensatori può risultare molto utile per i dispositivi elettronici portatili, come smartphone, smart watch, moduli GSM/GPRS e dispositivi medici indossabili. Honeywell, ad esempio, offre ora uno scanner UPC alimentato da supercondensatori e senza batteria, che si ricarica completamente in pochi secondi. Il produttore promette una durata di oltre otto anni, circa sei volte superiore rispetto alle batterie agli ioni di litio standard.
Il settore automobilistico sta emergendo come un altro importante utilizzatore dei supercondensatori, integrando la tecnologia in vari sistemi dei veicoli. Le funzioni start/stop e il servosterzo possono trarre vantaggio dalle prestazioni e dalla tolleranza alla temperatura della tecnologia. In futuro, i supercondensatori promettono la possibilità di caricare rapidamente le batterie dei veicoli ibridi, funzionando insieme al motore a benzina dell'auto o del camion. L'installazione di supercondensatori nei veicoli ibridi permetterà di percorrere distanze maggiori con un'efficienza e un controllo della potenza elevati.
Anche il settore ferroviario ha iniziato ad apprezzare il potenziale di recupero di energia offerto dalla tecnologia dei supercondensatori. Ad esempio, la compagnia ferroviaria spagnola CAF offre Greentech Evodrive, un sistema di recupero energetico basato su supercondensatori, progettato per i tram cittadini. Questa tecnologia recupera l'energia cinetica rilasciata in frenata, migliorando così l'efficienza energetica complessiva del tram.
Il vantaggio AVX
AVX offre la più ampia gamma di supercondensatori cilindrici standard, consentendo di soddisfare richieste di progettazione personalizzate. AVX offre un'ampia gamma di componenti che puntano a ottimizzare l'accumulo di energia, con un valore ESR basso e un corrente di dispersione minima.
Ad esempio, le serie SCC e SCM di condensatori elettrochimici cilindrici a doppio strato dell'azienda offrono eccellenti caratteristiche di gestione della potenza di impulso, basate sulla combinazione di capacità molto elevata ed ESR molto bassa. Utilizzati singolarmente o insieme a batterie primarie o secondarie, i dispositivi garantiscono tempi di backup prolungati e una maggiore durata della batteria, nonché impulsi di corrente immediati quando necessario.
Il supercondensatore BestCap della serie BZ di AVX è un supercondensatore a impulsi a bassa ESR basato sul sistema polimerico attivato da protoni non pericoloso. Il prodotto compete direttamente con i dispositivi realizzati con elettroliti organici, ma ha un intervallo di tensione molto più ampio, da 3,6 V a 20 V (gli elettroliti organici sono in genere limitati a circa 3 V per cella). BestCap ha un intervallo di temperatura che va da -20°C a +70°C, più ampio rispetto alle batterie, e offre anche valori selezionati disponibili tra -40°C e +75°C. BestCap offre la risposta in frequenza più "simile a quella di un condensatore" tra tutti i supercondensatori e presenta caratteristiche di basso ESR e profilo ribassato.
I supercondensatori prismatici PrizmaCap di AVX, presenti nella serie SCP, offrono il profilo più basso e la più ampia gamma di temperatura d'esercizio disponibili nei supercondensatori AVX. Utilizzati singolarmente o insieme a batterie primarie o secondarie, i dispositivi offrono un tempo di backup prolungato con una maggiore durata della batteria e impulsi di corrente istantanei quando necessario. I dispositivi sono destinati ad applicazioni che richiedono la gestione della potenza di impulso, l'accumulo di energia, il mantenimento di energia/potenza e l'assistenza della batteria.
Tutte le serie di supercondensatori AVX sono personalizzabili per quanto riguarda l'orientamento dei conduttori, i cavi del cablaggio, l'imballaggio e le offerte non standard in termini di tensione, capacità e altre aree chiave. Per applicazioni di supercondensatori ad alta tensione, AVX può progettare e costruire gruppi di moduli personalizzati, completi di supporto per involucro, bilanciamento e monitoraggio dello stato.
Sporgendosi in avanti
I supercondensatori sono una tecnologia di accumulo dell'energia in rapida espansione e sono diventati una scelta di progettazione sempre più diffusa per un numero crescente di applicazioni. Nonostante le batterie agli ioni di litio siano ormai utilizzate in un'ampia gamma di dispositivi personali e commerciali, questa tecnologia non sarà mai in grado di competere con i supercondensatori in termini di densità di potenza e numero di cicli di carica/scarica.
Con la crescente adozione dei supercondensatori e la previsione di nuove applicazioni, i ricercatori di tutto il mondo cercano il modo di aumentare le prestazioni e la compatibilità studiando nuove forme di materiali dielettrici, come i nanotubi di carbonio, il polipirrolo e il titanato di bario, tutti in grado di migliorare la capacità e la densità energetica.
Restate sintonizzati: la storia dei supercondensatori è appena iniziata.
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