Supercondensatori ibridi: l’alternativa alle batterie agli ioni di litio

Le batterie al litio sono oggi la soluzione di accumulo di energia più utilizzata in ambito automotive. I supercondensatori, sebbene più affidabili, efficienti e duraturi fanno fatica a farsi strada nel mercato a causa della ridotta autonomia di guida rispetto alla tecnologia concorrente. Ma esiste una categoria di supercondensatori chiamati ibridi con prestazioni migliorate in termini di densità di energia in grado forse di colmare il gap. I supercondensatori ibridi potrebbero segnare un nuovo inizio verso il tanto necessario accumulo di energia duraturo, efficiente e privo di inquinamento. Questo articolo cerca di offrire una breve panoramica sulle caratteristiche dei supercondensatori ibridi e sul loro potenziale impatto nel settore automotive.

Introduzione

Le migliori batterie oggi disponibili sono ancora quelle basate sulla tecnologia agli ioni di litio (Figura 1) e alcuni altri elementi chimici. Nelle auto, l'autonomia e le prestazioni sono requisiti dominanti e quindi spesso vengono utilizzate batterie al litio-nichel-manganese-cobalto. Esse offrono fino a circa 200 Wh/kg senza la necessità di una batteria aggiuntiva e di un sistema di gestione termica che possono facilmente assorbire il 30% del peso e del volume.

Figura 1: Batterie agli ioni di litio in un modello di auto elettrica

Tali batterie costituiscono ancora una parte importante del prezzo di costo e del peso dei veicoli. La tecnologia delle batterie agli ioni di litio è migliorata molto negli ultimi anni ma restano comunque alcuni fattori limitanti:

perdono molta capacità quando fa freddo - proprio come una batteria al piombo per auto, quando si gela, la batteria potrebbe perdere una parte significativa della sua energia e capacità di corrente. Una batteria completamente scarica può persino diventare un "mattone", costoso da sostituire, impossibile da riparare;
il rischio termico, soprattutto durante la fase di ricarica - in quel momento la corrente nella batteria e la generazione di calore interna sono al massimo e una singola cella difettosa può provocare la cosiddetta scarica termica dell'intera batteria. Un simile incendio è impossibile da estinguere e spesso l'intero veicolo va in cenere;
la durata del processo di ricarica - le batterie agli ioni di litio per veicoli vanno da poche decine di KWh a oltre 100 KWh, ma possono caricare solo al loro valore nominale corrente. Con una connessione di alimentazione standard (come a casa) può richiedere fino a mezza giornata. Con un caricatore rapido, invece, mezz'ora potrebbe essere sufficiente ma tali caricatori richiedono una connessione dedicata alla rete elettrica;
la carica a queste correnti elevate non è senza rischi;
il sistema attuale non è scalabile in termini economici e quindi non sostenibile.

I supercondensatori

Trovare una batteria migliore è fondamentale affinché avvenga il vero passaggio all'energia elettrica. Ma quali sono le proprietà di una batteria ideale?

Densità energetica: più energia può essere immagazzinata in un dato peso o volume, meglio è. Questo parametro determina, in sostanza, l'autonomia di guida.
Densità di potenza: maggiore è la corrente di picco che una batteria può generare, più facile è il suo funzionamento in una vasta gamma di applicazioni. Inoltre, incide sulla velocità di carica/scarica.
Comportamento termico: le batterie funzionano per reazioni chimiche e queste dipendono dalla temperatura. La batteria ideale offre tanta energia e capacità sia che ci sia il gelo polare che il clima del deserto.
Rischio termico: minore è la resistenza interna minore sarà il calore interno generato dalle correnti e minore sarà il rischio che si verifichi una fuga termica. I rischi e il comportamento termico sono le ragioni principali per cui le batterie con prestazioni più elevate richiedono una batteria complessa e un sistema di gestione termica. Ciò ha un impatto diretto sulla densità energetica e sul prezzo di costo.
Durata: molte delle proprietà elencate hanno un effetto dannoso sulla durata di una batteria, che viene spesso misurata in cicli di carica/scarica. Le buone batterie dovrebbero sopravvivere al sistema in cui vengono utilizzate e quando viene raggiunto quel punto, dovrebbero essere ancora potenti e abbastanza sicure per una seconda vita in un'applicazione meno impegnativa.
Costi: alla fine, tutte le proprietà di cui sopra devono essere soddisfatte ad un prezzo accessibile e competitivo. Quest'ultimo implica che le batterie possano essere facilmente prodotte in volumi elevati e senza utilizzare materiali tossici o rari. A meno che non si tratti di applicazioni specifiche, ciò che conta è la durata del sistema.

Inutile dire che la strada verso la batteria ideale è lunga e mentre i progressi quotidiani sono una costante, il progresso è relativamente lento per il motivo fondamentale che non è possibile modificare le leggi della fisica. Per fare progressi, diventa necessario un approccio diverso. Uno di questi approcci è quello di utilizzare i supercondensatori (EDLC) (Figura 2). Contrariamente alle batterie, i supercondensatori immagazzinano direttamente l'energia elettrica durante la carica, mentre le batterie si basano su una reazione chimica.

Figura 2: Una batteria basata sui supercondensatori

Un risultato importante è che i supercondensatori hanno molte delle proprietà che rendono ideale una batteria come ad esempio una resistenza interna molto bassa, che li rende dispositivi molto sicuri per operare in un'ampia gamma di temperature (zero rischi in termini di fughe termiche su un vasto intervallo di temperature), tensioni e correnti. Quando si rompono (dopo molti anni), molto spesso è a causa di un uso improprio. I supercondensatori forniscono centinaia di migliaia di cicli di ricarica, rispetto alle centinaia (o poche migliaia) delle batterie agli ioni di litio. [...]

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