Comprendere i supercondensatori e le loro applicazioni

I supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia all'avanguardia che offrono una vasta gamma di caratteristiche desiderabili, tra cui alta capacità, elevata densità di potenza e tempi di ciclo prolungati. Noti anche come ultracondensatori, i supercondensatori colmano efficacemente il divario attualmente esistente tra condensatori elettrolitici e batterie ricaricabili.

Un supercondensatore a doppio strato tipico è diverso da un condensatore convenzionale in due aspetti importanti. Le piastre metalliche di un supercondensatore presentano una superficie molto più ampia rispetto a quelle di un condensatore ordinario, e la distanza tra le piastre è significativamente più piccola, poiché il separatore tra di esse funziona in modo diverso rispetto a un dielettrico convenzionale.

In una batteria, carica e scarica sono reazioni elettrochimiche. I supercondensatori immagazzinano la carica elettrostaticamente sulle loro piastre ad alta superficie. Questi dispositivi immagazzinano meno energia, ma possono caricarsi o scaricarsi in pochi secondi. Pertanto, le applicazioni dei supercondensatori sono principalmente utilizzate per fornire brevi esplosioni di potenza. Per almeno il futuro prevedibile, le batterie rimarranno la scelta preferita per immagazzinare grandi quantità di energia per lunghi periodi di tempo.

Vantaggi dei supercondensatori

Negli ultimi decenni, i supercondensatori si sono evoluti passando da essere una scelta di design esotica e unica a una tecnologia di uso comune, adatta ad applicazioni che variano dai sistemi di backup delle batterie alla prevenzione della perdita accidentale di dati nella memoria di archiviazione. Gli ingegneri sono attratti dai supercondensatori per i molteplici vantaggi della tecnologia, tra cui eccellenti prestazioni e affidabilità.

Una caratteristica fondamentale dei supercondensatori è che possono essere caricati e scaricati centinaia di migliaia di volte in condizioni normali. Diversamente da una batteria elettrochimica, che ha un ciclo di vita definito, il ciclo di un supercondensatore provoca pochissima 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 dispositivi alternativi non possono fornire a causa della RES (Resistenza Equivalente Serie). I supercondensatori sono inoltre in grado di gestire intervalli di temperatura più ampi rispetto alle batterie.

Quando utilizzata come supporto per le batterie, la tecnologia dei supercondensatori può significativamente estendere la durata delle batterie primarie/secondarie, solitamente di almeno 2 volte.

La sicurezza è una considerazione importante in molti tipi di design di prodotto, in particolare nei dispositivi mobili e indossabili. A differenza di alcuni tipi di batterie, come quelle agli ioni di litio (li-ion), che comportano rischi di incendio ed esplosione se perforate, sovraccaricate, surriscaldate o cortocircuitate, i guasti dei supercondensatori non sono mai catastrofici. Inoltre, sono ecologici, poiché non richiedono le stesse precauzioni per lo smaltimento, al contrario delle batterie.

Scopri di più sui vantaggi dei supercondensatori.

Tipi di supercondensatori

Le prestazioni dei supercondensatori dipendono in larga misura dal materiale dell'elettrodo e dall'elettrolita. Gli elettrodi ad alta superficie di un supercondensatore sono realizzati con un materiale poroso. La carica viene solitamente immagazzinata vicino al confine che esiste tra l'elettrolita e il materiale dell'elettrodo. Per i condensatori a doppio strato, gli elettrodi sono comunemente realizzati in aerogel di carbonio, tessuto di carbonio o nerofumo.

Alcuni supercondensatori incorporano un elettrolita acquoso, mentre altri presentano un elettrolita organico. Gli elettroliti organici comunemente utilizzati includono acetonitrile e carbonato di propilene.

I supercondensatori cilindrici sono il cavallo di battaglia di base della tecnologia. Questi dispositivi sono progettati per offrire a un'ampia gamma di ingegneri nel settore industriale e tecnologico di consumo una soluzione che garantisce caratteristiche ottimali di gestione della potenza impulsiva e che supera significativamente la concorrenza, mantenendosi competitivi in termini di costi.

AVX offre supercondensatori cilindrici in una vasta gamma di configurazioni di montaggio, inclusi supporti planari a due o quattro terminali, supporti a foro passante, supporti a foro passante con distanziatore esteso e supporti con fili di connessione. Sono inoltre disponibili moduli connessi in serie.

Applicazioni dei supercondensatori

Sebbene i supercondensatori siano una tecnologia relativamente nuova (almeno se confrontata con i condensatori tradizionali), i dispositivi sono ora pronti per essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni. Una delle prime applicazioni dei supercondensatori è stata come backup delle batterie primarie per colmare brevi interruzioni di alimentazione o per uniformare il flusso elettrico. In questo ruolo, ancora ampiamente utilizzato, i supercondensatori possono essere trovati in alimentatori senza interruzione (UPS), sistemi di allarme wireless, contatori intelligenti e persino unità a stato solido (SSD).

I supercondensatori sono ampiamente utilizzati anche per fornire energia in applicazioni a impulsi, telemetria, assistenza alla potenza di picco e serrature elettroniche. Inoltre, molti ingegneri si affidano alla tecnologia dei supercondensatori come il metodo migliore per avviare i generatori di emergenza durante le interruzioni di corrente e fornire energia fino a quando il passaggio non raggiunge la piena operatività. In Giappone, grandi supercondensatori vengono frequentemente installati negli edifici commerciali per ridurre il consumo dalla rete nei momenti di picco della domanda e per alleviare il carico.

I supercondensatori sono ormai comunemente utilizzati anche come dispositivi di raccolta energetica per catturare e immagazzinare energia raccolta da celle solari, turbine eoliche, onde oceaniche e altre fonti esterne, al fine di alimentare dispositivi elettronici a basso consumo energetico. I supercondensatori, che possono operare in ambienti difficili attraverso un ampio intervallo di temperature operative, offrendo al contempo un'elevata densità di potenza e alta affidabilità, sono anche ideali per l'uso in progetti di sensori e comunicazione per l'Internet delle cose (IoT).

Un numero crescente di ingegneri sta ora rivolgendosi ai supercondensatori come dispositivi di accumulo di energia ad alte prestazioni, in grado di contribuire alla rapida crescita dell'elettronica a basso consumo. Dispositivi elettronici portatili, come smartphone, smartwatch, moduli GSM/GPRS e dispositivi medici indossabili, possono tutti beneficiare della tecnologia dei supercondensatori. Honeywell, ad esempio, offre ora uno scanner UPC alimentato da supercondensatori, senza batteria, che si ricarica completamente in pochi secondi. Il produttore promette una durata di vita superiore agli otto anni, circa sei volte più lunga rispetto alle batterie standard agli ioni di litio.

Il settore automobilistico sta emergendo come un altro importante utilizzatore di supercondensatori, integrando questa tecnologia in diversi sistemi dei veicoli. Le funzioni start/stop e il servosterzo possono trarre vantaggio dalle caratteristiche di prestazioni e tolleranza alle temperature della tecnologia. In futuro, i supercondensatori promettono la capacità di ricaricare rapidamente le batterie dei veicoli ibridi, operando in combinazione con il motore a benzina dell'auto o del camion. L'installazione di supercondensatori nei veicoli ibridi permetterà loro di percorrere distanze maggiori con un controllo di potenza e un'efficienza ottimali.

Anche l'industria ferroviaria ha iniziato ad apprezzare il potenziale di raccolta dell'energia offerto dalla tecnologia dei supercondensatori. La compagnia ferroviaria spagnola CAF, ad esempio, propone Greentech Evodrive, un sistema di raccolta dell'energia basato su supercondensatori integrato nei tram urbani. La tecnologia recupera l'energia cinetica rilasciata durante la frenata, migliorando così l'efficienza energetica complessiva del tram.

Il vantaggio di AVX

AVX offre la più ampia varietà di supercondensatori standard di tipo cilindrico, con la possibilità di soddisfare richieste di progettazione personalizzate. AVX offre una gamma diversificata di componenti, focalizzata sulla massimizzazione dell'accumulo di energia, basso ESR e corrente di perdita minima.

Ad esempio, le serie SCC e SCM di condensatori elettrochimici a doppio strato cilindrici dell'azienda offrono eccellenti caratteristiche di gestione della potenza impulsiva grazie alla combinazione di una capacità molto elevata e una resistenza ESR molto bassa. Utilizzati singolarmente o in combinazione con batterie primarie o secondarie, questi dispositivi garantiscono un tempo di backup prolungato e una durata delle batterie maggiore, oltre a impulsi di potenza istantanei quando necessario.

Il supercondensatore BestCap della serie BZ di AVX è un supercondensatore a impulso con bassa ESR basato su un sistema polimerico attivato da protoni non pericoloso. Il prodotto compete direttamente con i dispositivi realizzati con elettroliti organici, ma offre un intervallo di tensione molto più ampio, da 3.6V a 20V (gli elettroliti organici sono normalmente limitati a circa 3V per cella). BestCap ha un intervallo di temperatura compreso tra -20°C e +70°C—più ampio rispetto a quello delle batterie—e offre anche valori selezionati disponibili tra -40°C e +75°C. BestCap presenta la risposta in frequenza più "simile a un condensatore" tra tutti i supercondensatori e si distingue per caratteristiche di bassa ESR e basso profilo.

Le supercondensatori prismatici PrizmaCap di AVX, presenti nella serie SCP, offrono il profilo più sottile e la gamma di temperature operative più ampia disponibile nei supercondensatori AVX. Utilizzati singolarmente o in combinazione con batterie primarie o secondarie, i dispositivi garantiscono un tempo di backup esteso, una maggiore durata della batteria e impulsi di potenza istantanea quando necessario. I dispositivi sono destinati ad applicazioni che richiedono gestione della potenza a impulsi, accumulo di energia, mantenimento di energia/potenza e assistenza alla batteria.

Tutte le serie di supercondensatori AVX sono disponibili per la personalizzazione nelle aree di orientamento dei terminali, cavi di collegamento, confezionamento e offerte non standard in termini di tensione, capacità e altri aspetti chiave. Per applicazioni di supercondensatori ad alta tensione, AVX può progettare e costruire moduli personalizzati completi di contenitore, supporto per il bilanciamento e il monitoraggio dello stato.

Proteso in avanti

I supercondensatori sono una tecnologia di accumulo di energia in rapida crescita che è diventata una scelta di design sempre più popolare per un numero crescente di applicazioni. Nonostante le batterie agli ioni di litio siano ormai utilizzate in una vasta gamma di dispositivi personali e commerciali, questa tecnologia non potrà mai competere con i supercondensatori in termini di densità di potenza e numero di cicli di carica/scarica.

Con la crescita dell'adozione dei supercondensatori e l'immaginazione di nuove applicazioni, i ricercatori di tutto il mondo si stanno impegnando per 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 promettenti nel migliorare la capacità e la densità energetica.

Rimanete sintonizzati—la storia del supercondensatore è appena iniziata.

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