Condensatori al posto delle batterie: i Supercondensatori

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Chi di voi che state leggendo ha studiato elettronica lo saprà , i condensatori sono dei piccoli accumulatori di energia, ma ne accumulano quantità così limitate da essere praticamente inutilizzabili a tale scopo.
Questo fino ad alcuni anni fa, negli ultimi anni invece è nato un nuovo tipo di condensatori chiamati supercondensatori.

Questi supercondensatori si comportano esattamente allo stesso modo di un normale condensatore, ma hanno una caratteristica intuibile anche dal nome, la loro capacità è enorme.

Se un normale condensatore elettrolitico al più arriva a 47000 uF ovvero 0.047 Farad, un supercondensatore arriva tranquillamente a 3000 Farad, una capacità tale che inizia a prospettarsi il suo utilizzo al posto delle batterie.

Andiamo ora ad analizzare la parte fisica dei supercondensatori, la capacità di un condensatore planare rispolverando i libri di fisica 2 è .
In questa formula abbiamo K che è la costante dielettrica del materiale fra le armature, A che è l'area delle armature , D che è la distanza fra le armature.

Già da questo diventa chiaro il perché i condensatori elettrolitici a parità di area e dimensioni hanno una capacità molto maggiore rispetto a quelli al poliestere, nei condensatori elettrolitici, grazie al fatto che l'isolamento dielettrico è costituito da un sottilissimo strato di ossido , immerso in una soluzione altamente conduttiva, si ha una D molto molto piccola la quale ci permette di ottenere dei valori molto grandi di capacità.

Ovviamente riducendo la D si va incontro ad un inconveniente, se assottiglio molto il materiale dielettrico, ho un valore altissimo in V/m che può facilmente superare la soglia di rottura dielettrica del materiale con conseguente danneggiamento del condensatore, quindi continuare a puntare ad un dielettrico più sottile è un vicolo morto.

Quindi ci resta su cui lavorare la K , ma la K dipende dal materiale , e trovare nuovi materiali "miracolosi" ormai è abbastanza improbabile, oppure lavorare sulla A , ovvero l'area, ed è quei che ci viene in soccorso la nanotecnologia.

Grazie alla nanotecnologia si è riusciti a realizzare materiali che riescono in pochissime dimensioni ad avere una grande superficie, alcuni di questi sono il carbone attivo ed il grafene.

Questi 2 materiali soddisfano le caratteristiche di essere ottimi conduttori ma allo stesso tempo di poter avere una struttura porosa e quindi aumentare a dismisura la superficie

Quindi ecco che mantenendo una struttura simile ai normali condensatori elettrolitici , ma applicando le nanotecnologie sui materiali delle armature, è possibile ottenere capacità sempre maggiori avvicinandosi sempre di più a quella delle batterie.

Una delle aziende principali che attualmente produce supercondensatori è la Maxwell, la quale è già da tempo specializzata anche nella costruzione di condensatori speciali per utilizzo impulsivo per alimentare attrezzature da laboratorio come ad esempio laser pulsati.

Ora vediamo come possono essere utilizzati questi condensatori, la prima cosa importante è che a differenza di una batteria, non mantengono un voltaggio costante ma il loro voltaggio è linearmente dipendente dal livello di carica, quindi un condensatore da 2.7V carico al 50% avrà ai suoi capi 1.35V.

La seconda cosa importante è che se vengono collegati in serie è essenziale specialmente in fase di carica predisporre un circuito di bilanciamento simile a quello per le li-ion, che provveda ad evitare che uno qualsiasi dei condensatori superi il suo voltaggio massimo a causa di differenze costruttive.

I supercondensatori già sono utilizzati per alimentare gli orologi di alcuni PLC o di elettrodomestici, e sono utilizzati nelle auto elettriche per recuperare energia in frenata, questo perché a differenza delle batterie i condensatori possono essere caricati molto velocemente senza che si creino problemi di calore di alcun tipo.

Per poter scaricare fino a fondo un supercondensatore ( il quale a differenza delle batterie, non subisce danni se scaricato fino a 0V ) , si può ricorrere ad un circuito convertitore DC-DC boost che provvede anche nel caso di una tensione di ingresso inferiore a fornire sempre una tensione stabile in uscita.

Ora proviamo a confrontare un condensatore della foto precedente ( 3000F  , 2.7V ) con una cella ni-mh AA la quale tipicamente ha 2400 mAh , calcolando al loro energia accumulata in joule

Per il condensatore abbiamo

Per la batteria , considerando che le Ni-mh mantengono un voltaggio abbastanza costante, consideriamo 1.2V come voltaggio, ed abbiamo

Ancora anche se il risultato è maggiore per il condensatore, non si può dire che è stata superata la tecnologia Ni-Mh in quanto il condensatore della foto è molto più grande e pesante di una cella AA , ma comunque siamo sulla giusta strada e la tecnologia si sta sviluppando molto più velocemente rispetto a quella delle batterie