Il futuro del Power Saving: i condensatori elettrolitici e tecnologia Energy-C
Il futuro del Power Saving: i condensatori elettrolitici e tecnologia Energy-C
Lo stoccaggio di energia è parte integrante del nostro mondo – sebbene molte volte trascurata” – ed è una tematica sempre più attuale. Oggigiorno com’è possibile conservare, in maniera efficiente grandi quantità di energia, specialmente laddove ci sono delle fonti rinnovabili all’origine (eolico, fotovoltaico)?
Altresì, il problema dello stoccaggio dell’energia è un tema che viviamo quotidianamente: che si tratti di uno smartphone, di un trapano avvitatore a batteria o di un’auto: molti dispositivi elettrici dispongono di un proprio accumulatore di energia integrato.
I condensatori non sono necessariamente la prima tecnologia a cui si pensa quando si tratta di immagazzinare grandi quantità di energia; sbagliando – oggi più che mai – per via di importanti innovazioni nel settore. Infatti, nuove tecniche di processo e nuove formulazioni per la creazione di fogli di alluminio anodico garantiscono una elevata affidabilità e prestazioni elettriche superiori dei condensatori elettrolitici, anche rispetto alle batterie. Inoltre, la nuova tecnologia Energy-C (Energy-Capacitors) – che utilizza materiali e processi all’avanguardia – consente una densità di stoccaggio che precedentemente era riservata esclusivamente alle batterie (si veda Figura 1).
Per comprendere al meglio tale scenario illustriamo di seguito le caratteristiche tecniche delle nuove soluzioni sviluppate da Jianghai (produttore, da sempre all’avanguardia nell’innovazione dei condensatori e distribuita in Italia da CONSYSTEM S.r.l.).
I Condensatori elettrolitici in alluminio Jianghai: i nuovi “cavalli” da lavoro dell’Elettronica di Potenza.
Si sa che la lamina anodica è sia in termini di valore che tecnicamente il pre-materiale più vitale di un condensatore elettrolitico in alluminio. Questo materiale viene ottenuto, tramite un processo a due fasi (di incisione e di formatura) da una lamina liscia in alluminio puro. Le Figure 2 (a) e 2 (b) mostrano la sezione trasversale dei fogli anodici ad alta tensione incisi per l’uso in nei condensatori elettrolitici.
Si possono notare alcune differenze tra le due figure. Infatti, grazie alla sua strategia di integrazione verticale del sistema produttivo, Jianghai gestisce direttamente il processo di incisione e strutturazione degli anodi, ottimizzando così le proprietà della pellicola. I miglioramenti del processo di incisione (Figura2 (b)) sono riscontrabili grazie a dei fori maggiormente uniformi, ottimizzando così l’utilizzo del volume a disposizione. Ciò permette alti valori di capacità “Storage” e condensatori maggiormente compatti (specialmente nelle dimensioni).
Un processo elettrochimico crea lo strato dielettrico sulla superficie della lamina anodica ruvida. La qualità di questa “formazione”, ovvero la qualità della struttura e dello spessore dello strato del dielettrico sono fondamentali sia per garantire un’alta affidabilità sia per assicurare “ottime” prestazioni elettriche dei condensatori elettrolitici quando sono in esercizio.
La migliore qualità del condensatore elettrolitico ad alta tensione, sviluppato dalla Jianghai, si può notare grazie alla Figura 3.
La figura 3 mostra la struttura a strati del dielettrico in modo trasversale. Questo è composto secondo quanto segue: vi è il foglio di alluminio ① “seguito” da uno strato di ossido di alluminio amorfo ②, successivamente si può vedere la lastra di cristallo ③ e infine lo strato idratato ④.
Le nuove pellicole anodiche della Jianghai sono caratterizzate da uno strato di idrato più sottile e da uno strato amorfo più spesso. Di conseguenza, le nuove pellicole per anodi “marcate” Jianghai hanno maggiori capacità di carico e valori ESR (Equivalent Serie Resistence) inferiori, che qualificano i condensatori come “cavalli da lavoro” ideali per applicazioni di elettronica di potenza.
I “Condensatori di energia” per il futuro
Fin dagli anni ’50, le più grandi quantità di energia sono state immagazzinate in condensatori a doppio strato (EDLC). Oggi tali condensatori sono conosciuti come Super Caps, Ultra Caps, Gold Caps e/o con molte altre denominazioni commerciali (fantasiose e non). Questi condensatori – grazie a una costante ricerca – hanno raggiunto valori di capacità di diverse centinaia di Farad, offrendo densità di potenza molto elevate (Figura 1). Tuttavia, i condensatori ad alta densità di potenza – sic et simpliciter – non possono competere con le recenti evoluzioni delle batterie e degli accumulatori. A sconvolgere tale scenario ci ha però pensato, recentemente, una nuova tecnologia: la “ENERGY-C” (Energy Capacitors) in grado di fornire un nuovo “Boost” per l’accumulo di energia nei condensatori! Energy-C si basa su una tecnologia a doppio strato e sul suo ulteriore sviluppo – da parte di Jianghai -per la mass production. L’ Energy-C utilizza fondamentalmente due tipi di condensatori (che si possono scegliere a seconda dell’esigenza specifica): il classico condensatore a doppio strato (EDLC) e il nuovo condensatore agli ioni di litio (LiC). La tecnologia EDLC che offre una densità di energia relativamente alta e una densità di potenza molto elevata (Figura 1), comunque costituisce la base di entrambi i tipi di condensatori. Due elettrodi di carbone attivo simmetrici “costituiscono” il cosiddetto doppio strato dei EDCL (Figura 4 (a)). Il nuovo condensatore agli ioni di litio (LiC) (Figura 4 (b)) ha un design leggermente modificato che consente di aumentare significativamente la densità di energia. Come si può vedere un elettrodo di grafite drogato con litio sostituisce uno dei due elettrodi simmetrici. La costruzione asimmetrica di questo condensatore agli ioni di litio (LiC) consente una densità di energia molto più elevata, ma, al contempo ha una densità di potenza inferiore rispetto all’EDLC (Figura 4 (a)). Entrambe le costruzioni hanno i loro punti di forza particolari che li rendono soluzioni ideali per diverse applicazioni. In termini di energia e densità di potenza, il condensatore agli ioni di litio (LiC) si trova tra il condensatore a doppio strato (EDLC) e la batteria Li-Ion (LiB) (Figura 1).
La Figura 4 (b) mostra che il LiC ha un elettrodo EDLC (a carbone attivo) e un elettrodo LiB (grafite drogata). Di conseguenza, il condensatore agli ioni di litio (LiC) si avvicina alla densità di energia delle batterie. Tuttavia, viene mantenuto il vantaggio di fast charge / discharge. Ciò consente numerosi cicli di ricarica nell’intervallo di pochi minuti. Tuttavia, per esigenze di cicli di carica e scarica ancora più veloci, l’EDLC è ancora la scelta migliore. Oltre ai tempi di ricarica, ci sono altri argomenti “interessanti” a favore dell’uso della nuova tecnologia Energy-C, rispetto alle batterie tradizionali, secondo quanto segue:
In termini di stabilità del ciclo e durata
Gli Energy-C sono molto più “evoluti” delle batterie. Le batterie agli ioni di litio offrono (solo)circa un migliaio di cicli, il LiC raggiunge diverse decine di migliaia di cicli senza considerare che i condensatori a doppio strato si possono vantare di valori ancora superiori: garantendo cicli di carica e scarica di molte centinaia di migliaia.
Stabilità e ritenzione della carica anche a temperature elevate
Il design tecnologico e la combinazione di materiali utilizzati nel condensatore agli ioni di litio garantiscono una ottima stabilità ed il “mantenimento” della carica anche a temperature elevate. Infatti, mentre gli accumulatori e il LiC rimangono stabili a temperatura ambiente (e scaricano meno del 5% su un ciclo di vita di circa 2500 ore), un EDLC già perde il 30% della carica dopo 2000 ore. A 60 ° C, la velocità di scarica di un EDLC aumenta in modo significativo a causa delle reazioni chimiche “accelerate” tra l’elettrolita di supporto e il materiale degli elettrodi. La conseguenza di queste reazioni chimiche è una maggiore dispersione di corrente, e ciò porta normalmente, alla perdita di carica sia nelle batterie che nei condensatori EDLC. La batteria agli ioni di litio perde fino al 30% della sua carica dopo 2500 ore di funzionamento, per gli EDLC, tale fenomeno accade dopo solo 500 ore. Nelle applicazioni di energy harvesting, il Li-C offre, indubbiamente, vantaggi competitivi molto importanti.
Sicurezza e affidabilità
Il LiC è altrettanto sicuro rispetto a un EDLC, grazie al particolare processo che incorpora saldamente gli ioni di litio nella sua struttura molecolare di composizione del carbonio (“drogaggio”). A differenza delle batterie al litio, non sono necessari disegni e progetti elaborati per ridurre il rischio di fuga termica e conseguente rischio di incendio. Grazie al drogaggio, nel condensatore LiC non sono presenti né litio metallico né ossido di litio. Il metodo di drogaggio consente quindi al condensatore di essere sempre in condizioni di sicurezza anche in caso di danni meccanici, alte temperature o “pesanti” scariche elettriche.
Migliore impronta ecologica e fruibilità
La produzione di un LiC richiede meno del 3% della quantità di litio di un condensatore LiB dello stesso volume. Ora, oltre al garantire un migliore uso delle risorse e maggiore rispetto dell’ambiente, questa caratteristica si traduce altresì in un peso inferiore e dimensioni più compatte.
Nuovi orizzonti tecnologici
Il concetto Energy-C rappresenta una nuova frontiera tecnologica per lo stoccaggio di energia (sia per le applicazioni esistenti che per quelle future). Infatti, oltre a tutto quanto elencato ci sono ulteriori margini potenziali ancora da scoprire per questa tecnologia In futuro dovrebbero essere raggiunte densità di energia di 50 Wh / kg e densità di potenza superiori a 30 kW / kg.Jianghai guida la ricerca di nuovi materiali per gli elettrodi, che dovrebbero così aumentare ulteriormente la propria conduttività espandendo il range di temperatura del componente e aumentandone al contempo la stabilità della temperatura.Sintetizzando si può notare (come da diagramma di Ragone (Figura 1)) che i condensatori agli ioni di litio aprono un nuovo scenario e una nuova gamma di applicazioni che prima non erano coperte, né dalle batterie né da altri condensatori! Tutti i condensatori qui descritti sono già prodotti in serie da Jianghai e hanno dimostrato le loro prestazioni superiori in condizioni operative reali sul campo e sono forniti in Italia da CONSYSTEM S.r.l. quale storico distributore di fiducia.
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