I condensatori a elevatissima capacità, o supercondensatori, sono dispositivi capaci di offrire un prezioso valore aggiunto in moltissime applicazioni ma hanno la caratteristica di dover essere personalizzati per fornire ben precise prestazioni in funzione dell’ambiente circuitale nel quale sono inseriti. In pratica, pur offrendo evidenti vantaggi nelle funzionalità operative, i supercondensatori costringono i progettisti a realizzare espressamente per ciascuno di essi un layout circuitale difficilmente riutilizzabile in altri contesti.
Fig. 1 – Lo spazio fra gli elettrodi dei supercondensatori è riempito con particelle nanometriche di carbonio e con un elettrolita liquido che favoriscono l’accumulo delle cariche elettrostatiche e faradiche
L’elevata potenza specifica che riescono a produrre è dovuta a un accumulo di carica elettrica eccezionalmente superiore rispetto ai condensatori tradizionali; questo vantaggio può essere ottenuto in molti modi simili nell’impostazione ma diversi nelle prestazioni e nelle caratteristiche a livello circuitale, perché dipendono anche dall’ambiente applicativo che può essere molto diverso a seconda che si tratti di un sistema industriale, automotive, telecom o consumer.
Energia al momento giusto
Le attuali batterie chimiche si caratterizzano soprattutto per l’ampia capacità di accumulo di cariche elettriche ma anche per l’intrinseca lentezza operativa che impone lunghi tempi di carica e un’erogazione graduale che deve garantire l’alimentazione dei sistemi più a lungo possibile nonostante le condizioni ambientali possano influire sulla loro efficienza consumando la carica accumulata e provocando talvolta dei difetti elettrici che possono essere causa di malfunzionamento.
I supercondensatori riescono ad accumulare una quantità di carica elettrica inferiore ma sufficiente per alimentare parti circuitali circoscritte rilasciando l’energia quando serve molto rapidamente, anche in un sol colpo. Inoltre, possono sopportare condizioni ambientali termiche e meccaniche notevolmente più severe garantendo persino un milione di cicli di scarica e ricarica e perciò costituiscono un ottimo espediente in tutte le numerose condizioni circuitali dove l’energia è necessaria repentinamente senza rischi di discontinuità. In altre parole questi componenti possono essere inseriti in svariati nodi nevralgici del sistema affinché accumulino energia e siano pronti a rilasciarla al momento opportuno.
Fig. 2 – I supercondensatori Ioxus iCAP sono disponibili con capacità di 1200F, 2000F e 3000F e alla tensione operativa di 2,7V hanno una ESR di 0,22 mOhm in alternata e 0,26 mOhm in continua
Nelle applicazioni industriali, per esempio, possono servire per rigenerare la potenza dispersa in alcuni cicli operativi per poi impiegarla in altri cicli senza appesantire la domanda energetica da parte della batteria principale specialmente quando si tratta di momenti critici nei quali taluni dispositivi di potenza manifestano comportamenti elettrici di picco che possono indurre conseguenze oltremodo critiche nei circuiti limitrofi. In questi ambiti i supercondensatori costituiscono un buffer di energia immediato e disponibile anche se le condizioni elettriche, termiche e meccaniche degradano. Similmente nelle applicazioni consumer i supercondensatori possono servire come mini batterie di backup per fronteggiare i tanti momenti di picco nella richiesta di energia da parte dei numerosi sistemi incorporati oggi negli apparecchi mobili.
È noto che nei moderni terminali cellulari convive una gran quantità di applicazioni e, quando capita, che ve ne siano parecchie contemporaneamente attive può succedere che la richiesta di corrente s’impenni e naturalmente occorre evitare di sovraccaricare le batterie. In questi casi i supercondensatori consentono agli apparecchi di durare più a lungo perché possono caricarsi rapidamente e poi rilasciare l’energia quando serve senza che si propaghino sovratensioni o sovracorrenti potenzialmente pericolose.
Inoltre, mantengono la loro carica a lungo e perciò possono anche sostituirsi del tutto alle batterie in quelle applicazioni dove non serve tantissima energia. Si tratta, dunque, di componenti elettronici caratterizzati da un’importante flessibilità che può rivelarsi utile in molteplici condizioni circuitali.
Condensatori ultra e super
Le caratteristiche dei dispositivi considerabili come un’evoluzione diretta del condensatore nascono tutte dai miglioramenti conseguiti negli ultimi anni sullo sviluppo delle nanotecnologie. Al gradino superiore della scala evolutiva del condensatore si trova l’Electrical Double-Layer Capacitor, EDLC, che in letteratura viene denominato spesso come “ultracapacitor”, o ultracondensatore. In pratica, non c’è più lo strato dielettrico intermedio fra gli elettrodi perché al suo posto ora si mette un doppio strato di elettrodi chiusi a sandwich in una soluzione elettrolitica capace di accumulare carica innanzi tutto per via elettrostatica grazie alla separazione delle cariche indotta dalla distanza inferiore al nm a cui si trovano le interfacce elettrodo/elettrolita.
Fig. 3 – I moduli di accensione motori ESM con ultracondensatori Maxwell generano da 15 a 16,2 Volt e ben 900 CCA sufficienti ad avviare un motore diesel da 9,9 litri di cilindrata
Oltre alla capacità elettrostatica quest’impostazione consente anche l’accumulo di energia elettrochimica dovuto all’assorbimento faradico da parte degli elettrodi delle cariche prodotte per ossidoriduzione all’interno dell’elettrolita. Entrambi i fenomeni contribuiscono all’accumulo dell’energia ma in misura ben diversa secondo la tecnologia costruttiva impiegata per realizzare gli elettrodi e anche in funzione della scelta dell’elettrolita.
Perciò si sono diffuse famiglie di condensatori con diverse caratteristiche e prestazioni come i Double-Layer Capacitor caratterizzati da elettrodi di carbonio capaci di massimizzare per lo più la componente elettrostatica nell’accumulo dell’energia, i Pseudocapacitor con elettrodi polimerici che favoriscono l’assorbimento delle cariche generate per ossidoriduzione e gli Hybrid Capacitor più noti come condensatori agli ioni di litio che riescono a esprimere buone prestazioni in entrambe le circostanze. In tutti questi casi la capacità risultante è migliaia di volte superiore a quella dei condensatori elettrolitici a parità di tensione di lavoro con tempi di scarica e ricarica inferiori al secondo.
Grazie a questi sorprendenti risultati dall’EDLC nasce il “supercapacitor”, o supercondensatore, formato da due elettrodi in mezzo ai quali lo spazio viene riempito con polvere di carbone le cui particelle hanno dimensioni di una decina di nanometri e poi con un elettrolita liquido acido e leggermente salino che riempie gli spazi fra le particelle. In questo modo si moltiplica l’area superficiale disponibile per l’accumulo della carica elettrostatica sulle particelle di carbonio e, inoltre, aumenta il rendimento delle ossidoriduzioni che avvengono nell’elettrolita e perciò migliora l’accumulo di carica per effetto Faraday.
Fig. 4 – Sono pensati per il backup energetico negli apparecchi mobili i supercondensatori Murata DMT con capacità di 470F e tolleranza termica estesa da -30 a +85 °C
Di conseguenza la capacità di accumulare carica elettrostatica e faradica aumenta ed è anche favorita dall’incremento geometrico del rapporto fra area e distanza che influisce nel valore della capacità notoriamente definita come C=εoεr(A/d). A metà fra i due elettrodi è inserito un separatore spesso una manciata di nanometri e fatto di Kapton (un poliimide utilizzato nelle schede stampate per la sua stabilità termica estesa fra -270 e +400 °C) che serve a dividere le particelle di carbone a metà in modo da evitare i cortocircuiti fra gli elettrodi ma permettere il movimento degli ioni prodotti dalle ossidoriduzioni e favorire e stabilizzare l’accumulo di elettroni sugli elettrodi.
In effetti sia l’induzione elettrostatica che l’accumulo faradico avvengono molto rapidamente e perciò si può generalmente quantificare la differenza fra un supercondensatore rispetto a una batteria chimica al litio considerando che la densità di energia accumulabile nel primo è attualmente inferiore di un ordine di grandezza rispetto alle seconde anche se sta continuamente e inesorabilmente crescendo ma permette già ora di offrire una densità di potenza centinaia di volte superiore e perciò scaricare l’energia in un tempo decine di volte inferiore. È di conseguenza evidente l’importanza che i supercondensatori possono avere nelle moderne applicazioni sia industriali sia consumer.
Alcuni nuovi prodotti
Ioxus progetta e produce condensatori a elevata capacità nelle tre principali famiglie iCAP, iMOD e ThiNPAC rispettivamente orientate alle applicazioni con elevata densità di potenza, elevata densità di energia ed elevata tensione di polarizzazione. Fra i nuovi modelli di ultracondensatori vi sono i robusti iCAP con capacità di 1200, 2000 oppure 3000 Farad comandati con tensione di 2,7V e caratterizzati da una resistenza serie ESR di 0,22 mOhm in alternata e 0,26 mOhm in continua. Notevole è la robustezza che assicura un milione di cicli di carica e scarica e mille ore di funzionamento nel range termico esteso da -40 a +65 °C.
Maxwell Technologies recentemente ha introdotto alcuni nuovi moduli di accensione motori (ESM, Engine Start Module) basati sui suoi ultracondensatori più robusti e forniti in contenitori da batteria automotive ricaricabili in soli 15 minuti. Gli ESM Ultra 31/900 riescono a generare 900 CCA (ampere in avviamento a freddo) e da 15 a 16,2 Volt nel range termico da -40 a +65 °C, sufficienti per avviare un motore diesel con cilindrata di ben 9900 cc.
Tra i più recenti annunci di Murata Manufacturing si trovano i supercondensatori EDLC della serie DMT, caratterizzati da un’elevata robustezza con tolleranza termica da -30 fino a +85 °C (e ben cinque anni di operatività a +70 °C). Questi componenti offrono una capacità di 470 mF con una resistenza serie ESR di 130 mOhm alla tensione operativa fino a 4,2V, ma sono disponibili anche nella versione DMF sempre da 470F ma con ESR di 45 mOhm e tensione di lavoro fino a 5,5V. Entrambi sono ideali per il backup energetico negli apparecchi portatili alimentati a batteria.
Fig. 5 – Offrono da 100 fino a 400 Farad i supercondensatori della famiglia NL prodotti da YEC di Taiwan per le applicazioni automotive e industriali
Yeong Long Electronics Co, o YEC ha ulteriormente perfezionato il suo ampio know-how sviluppando la tecnologia per la fabbricazione dei supercondensatori a elevata capacità. Nella serie NL vi sono sette componenti con capacità di 100F, 120F, 150F, 200F, 300F, 350F e 400F e resistenza serie equivalente ERS che va da 15 a 12 mOhm con una tensione di lavoro di 2,7V e una tolleranza termica operativa garantita da -40 a +65 °C. La serie MPL offre capacità fino a 5F con tensione di lavoro di 5,4V mentre le serie PC e PL si caratterizzano per la capacità da 4 a 10F e da 0,5 a 100F e per l’affidabilità garantita oltre dieci anni.