Tutorial per Illustrare la Fisica dietro i Supercondensatori (Supercapacitor) e i Materiali Usati, le loro Caratteristiche Elettriche e i Circuiti dove essi Vengono Usati…
INTRO
Il supercondensatore (supercapacitor in inglese) è un condensatore che garantisce un accumulo di carica elettrica molto più grande rispetto ai condensatori tradizionali. Sono dispositivi di conversione ed accumulo dell’elettricità caratterizzati da elevate potenze specifiche ed energie di gran lunga superiori rispetto ai condensatori convenzionali che spesso presentano valori di capacità dell’ordine dei milliFarad (mF) mentre un supercondensatore può superare persino i 5000F. Sono dispositivi utilizzati come accumulatori di energia elettrica, possono essere caricati o scaricati quasi istantaneamente garantendo un’elevatissima potenza specifica, vantano inoltre un maggior numero di cicli di carica/scarica. Queste peculiarità portano ad un vero e proprio vantaggio rispetto agli accumulatori chimici, mentre lo svantaggio più rilevante, sempre rispetto all’ultima categoria citata è la bassa energia immagazzinata. Il supercondensatore più comune è di solito costituito da due collettori di alluminio ma possono essere usati anche ossidi di metalli (es. ossido di rutenio) o polimeri conduttori. All’interno dell’armatura spesso troviamo del carbone attivo ad elevata area superficiale (fino a 2000 (m^2)/g), un separatore ed un elettrolita (vedi fig. 1.A).
Figura 1: (A) illustra la struttura interna di un supercondensatore. Possiamo distinguere il separatore (Separator), gli elettrodi (Electrode) e l’elettrolita (Activated Carbon) presente nello spazio da essi delimitato (d’). In (B) abbiamo un’immagine dell’elettrolita fisicamente presente sulla superficie dell’elettrodo, catturata al microscopio.
Il separatore aiuta ad indirizzare meglio il flusso di ioni (soprattutto ad alta densità di corrente) mentre gli elettroliti sono acquosi od organici (vedi fig. 1.B): i primi garantiscono una caduta di potenziale di circa un volt mentre gli organici possono avere finestre di potenziale di utilizzo di quasi tre volt. Un nuovo tipo di elettroliti per questi dispositivi è costituito dai liquidi ionici che permettono di lavorare con potenziali fino a sei volt. In tutti i condensatori elettrolitici classici, lo strato di dielettrico è chiamato elettrolita e funge da isolante tra le armature (vedi fig. 2.A). Nei supercapacitor, la superficie dell’elettrodo ricoperto dall’elettrolita attivo è considerato a tutti gli effetti un “double-layer”, una coppia di armature di un solo condensatore (vedi fig. 2.B) e tendono a formare una connessione conduttiva ionica tra i due elettrodi più vicini.
Figura 2: In (A) è raffigurato un classico condensatore a facce piane e parallele in cui il dielettrico (“Dielectric”, chiamato anche elettrolita) separa le armature. In (B), l’unione tra il collettore (Collector) e l’elettrolita (Porous electrodes) forma il cosiddetto “double-layer” che corrisponde ad un vero e proprio condensatore.
Innanzitutto bisogna polarizzare gli elettrodi mediante una tensione applicata a essi, creando così sull’interfaccia elettrolita-elettrodo (vedi fig. 3.A) uno strato di ioni con polarità inversa a quella dello stesso elettrodo (vedi fig. 3.B). Il doppio strato ionico così formato garantirà una capacità elevatissima data la minima distanza tra e l’ampia superficie dell’elettrodo.
Figura 3: gli elettrodi scarichi (A) vengono polarizzati per garantire il più possibile una struttura simmetrica e attirare gli ioni. Applicando una successiva scarica di tensione, gli ioni con polarità inversa vengono attratti e si stabilizzano sugli elettrodi precedentemente polarizzati (B).
Ricordando la legge di capacità per un condensatore piano a facce parallele:
Possiamo intuire che l’energia immagazzinata in un supercapacitor è superiore rispetto a quella di un condensatore classico poiché i materiali usati presentano una permettività relativa più alta e gli elettrodi presentano superfici (A) maggiori e distanze tra gli elettrodi (d) minori. Soprattutto il secondo aspetto garantisce una separazione di carica nel doppio strato elettrodico che avviene a distanze di scala molecolare (d = 0.3-0.8 nm). Un punto a sfavore per tali dispositivi è che il carbone attivo funge da piccole “quantum capacitance” che si comportano come veri e propri nano condensatori in serie, con conseguente riduzione della capacità totale C. Questa nuova classe di condensatori gode principalmente di un’elevata capacità, basse leakage current ed una bassa “equivalent series resistance” (ESR) rispetto a quelli tradizionali. Sono usati come vere e proprie batterie capaci di generare impulsi di potenza istantanei, offrono soluzioni per pulse power applications (come applicazioni GSM/GPRS), energy harvesting, camera flash systems, wireless alarms e remote metering.
CARATTERISTICHE ELETTRICHE
Figura 4: esempio del nuovo 6.0V SCM “from AVX Corporation
Il tipo di supercondensatore sul quale focalizziamo l’attenzione è prodotto dalla “AVX Corporation” e appartiene alla famiglia “SCM” (SuperCap Module). E’ un oggetto cilindrico che offre eccellenti “pulse power handling characteristics” se usato come singola componente o come batteria primaria (anche secondaria). Il loro valore di capacità varia nel range [0.47-7.5] F, lavorano a temperature intorno gli 85°c, provano a mantenere intatte le loro caratteristiche elettriche grazie al “voltage derating” e possono essere saldati a mano (si consiglia di lavorare con una temperatura inferiore ai 350°c e mantenere il contatto tra piazzola della PCB e punta del saldatore per meno di 4 secondi) o essere sottoposti a processi di saldature più complessi (come “reflow soldering” oppure “wave soldering”. In tabella 1, troviamo i diversi prodotti della famiglia di superconduttori SCM. Possiamo scegliere il più adatto alle nostre esigenze in termini di geometria (colonne “Diameter (mm)” e “Lenght (mm)”) valore di capacità (colonna “Capacitance (F)”) e così via.
Tabella 1: famiglia di prodotti SCM con relative caratteristiche elettriche, geometriche, termiche e di consumo.
La temperatura ricopre un ruolo importante sulle performance e sul ciclo di vita del dispositivo. In figura 5 troviamo il grafico A in cui viene illustrato l’andamento del valore di capacità rispetto alla temperatura; deduciamo che C è pressappoco costante rispetto alla temperatura, dunque possiamo assumere sia indipendente. Il grafico B presente in figura 5 rappresenta l’andamento delle correnti parassite rispetto alla temperatura; questa volta notiamo un’impennata oltre i 45°c. Infine, il grafico C di figura 5 mostra il rapporto tra ESR e temperatura; quando tale valore cresce del 200% rispetto al valore originale e la capacità si riduce del 30%, il condensatore è considerato obsoleto, non più usabile.
Figura 5: i grafici riportati mostrano come le performance del dispositivo variano a seconda della temperatura. Il valore di capacità è raffigurato in (A) e risulta quasi completamente indipendente dalle variazioni di temperatura. In (B) notiamo come dopo circa 45°C le correnti parassite iniziano a diventare importanti, comportamento inverso che si manifesta in (c), grafico in cui si studia la ESR.
SCHEMI APPLICATIVI
Presentiamo ora un esempio applicativo in cui vengono usati supercondensatori per migliorare le performance delle componenti realizzate. In figura 5, troviamo lo schema di un circuito usato per costruire un accumulatore di carica, ottimizzato dalla presenza del “maximum power point controller” (MPPC).
Figura 5: schema circuitale di un generatore termoelettrico usato come caricatore da 2.4V per un supercondensatore.
Figura 5: schema circuitale di un generatore termoelettrico usato come caricatore da 2.4V per un supercondensatore
L’LTC3105 è l’elemento principale del circuito; è un convertitore DC/DC step-up ad alta efficienza che lavora con input non più alti dei 200mV. E’ dotato di una capacità di avvio di 250mV ed un MPPC integrato che consentono al convertitore di lavorare con componenti che presentano alte impedenze d’ingresso e basse tensioni di input, come celle fotovoltaiche, TEG (è un “packaged micropelt thermogenerator”), celle a combustione. Una volta scelto quale sarà la fonte energetica, non ci rimane altro che programmare l’MPPC per massimizzare l’accumulo di energia nel super condensatore (CBULK in figura 5). Un’ultima curiosità è la modalità di funzionamento “Burst” con cui possiamo settare una corrente di picco che permetta di ottimizzare l’efficienza del convertitore e l’ondulazione della tensione di uscita in tutte le condizioni operative.
NE555.IT ringrazia per l’ottimo articolo Giancarlo, grande lettore del sito e amico 🙂
DOWNLOAD
Potete scaricare la il datasheet della serie 6.0V della AVX al seguente LINK!!!
