Supercondensatori e doppio strato elettrico

Esistono dispositivi che si caricano in pochi secondi, sopportano milioni di cicli senza degradarsi e rilasciano l’energia in un lampo: i supercondensatori. Non sono batterie e non sono normali condensatori, ma qualcosa nel mezzo, e per capirli bisogna partire da ciò che accade all’interfaccia fra un elettrodo e una soluzione.

Vediamo che cos’è il doppio strato elettrico, come immagazzina carica e perché i supercondensatori occupano un posto unico fra le batterie e i condensatori tradizionali.

L’interfaccia che accumula carica

Quando un elettrodo carico è immerso in una soluzione, gli ioni di carica opposta vi si avvicinano e si dispongono ordinatamente vicino alla sua superficie. Si forma così una sottilissima regione in cui due strati di carica opposta si fronteggiano: il doppio strato elettrico. Questa separazione di cariche, distanti pochi nanometri, si comporta esattamente come un condensatore, capace di immagazzinare energia elettrica senza che avvenga alcuna reazione chimica.

Com’è fatto il doppio strato

Il modello moderno descrive il doppio strato in due parti. Vicinissimo all’elettrodo c’è uno strato compatto di ioni quasi immobili, il piano di Helmholtz; più lontano c’è uno strato diffuso, in cui gli ioni sono attratti dall’elettrodo ma agitati dal moto termico, e la loro concentrazione sfuma gradualmente verso il seno della soluzione. La descrizione che unisce questi due contributi è nota come modello di Gouy-Chapman-Stern.

Perché “super”

La capacità di un condensatore cresce se le armature sono molto vicine e molto estese. Nel doppio strato la distanza fra le cariche è piccolissima, dell’ordine dei nanometri, e usando elettrodi di carbone porosissimo si ottiene una superficie enorme in pochissimo volume. Le due cose insieme danno capacità migliaia di volte superiori a quelle dei condensatori normali: da qui il nome di supercondensatori, o condensatori a doppio strato.

E  =  ½ C V²   (energia immagazzinata: cresce con la capacità e col quadrato della tensione)

La pseudocapacità

Alcuni materiali aggiungono un secondo meccanismo: oltre ad accumulare carica nel doppio strato, scambiano elettroni in reazioni superficiali velocissime e reversibili. Questo contributo, detto pseudocapacità, aumenta molto l’energia immagazzinabile pur restando rapido e duraturo. È un comportamento a metà strada fra il puro accumulo elettrostatico del doppio strato e la reazione chimica vera e propria di una batteria.

Fra la batteria e il condensatore

Il modo migliore per collocare un supercondensatore è confrontarlo con i suoi vicini. Un condensatore normale rilascia pochissima energia ma in un istante; una batteria immagazzina molta energia ma la rilascia lentamente e si consuma nel tempo. Il supercondensatore sta nel mezzo: immagazzina molta più energia di un condensatore e la rilascia molto più in fretta di una batteria, sopportando un numero enorme di cicli di carica e scarica.

Dove si usano

I supercondensatori brillano dove serve molta potenza per poco tempo o un’enorme durata: recuperano l’energia di frenata in tram, autobus e auto, restituendola allo spunto; stabilizzano le reti elettriche assorbendo i picchi; alimentano dispositivi che devono erogare brevi scariche intense. Spesso lavorano in coppia con le batterie, occupandosi loro dei picchi di potenza e lasciando alla batteria il compito di fornire energia a lungo termine, un’accoppiata che fa durare di più entrambe.

Limiti e prospettive

Il limite principale dei supercondensatori è che, a parità di peso, immagazzinano molta meno energia di una batteria: ottimi per la potenza, non per l’autonomia. Inoltre la loro tensione cala progressivamente man mano che si scaricano, mentre una batteria la mantiene più costante, il che richiede un po’ di elettronica per usarli bene. La ricerca punta a colmare il divario con materiali a pseudocapacità e nuovi carboni nanostrutturati, e a sviluppare dispositivi “ibridi” che uniscano l’energia di una batteria alla potenza e alla durata di un supercondensatore. È un campo in rapido movimento, sospinto dalla domanda di accumulo per i veicoli elettrici e per le energie rinnovabili.

Perché durano così tanti cicli

Una delle qualità più preziose dei supercondensatori è la longevità: possono caricarsi e scaricarsi centinaia di migliaia o milioni di volte senza degradarsi quasi per nulla, là dove una batteria comincia a perdere capacità dopo qualche migliaio di cicli. Il motivo è proprio nel meccanismo di accumulo. In una batteria, a ogni ciclo i materiali degli elettrodi subiscono vere reazioni chimiche che li gonfiano, li contraggono e a poco a poco li sgretolano o li trasformano in modo irreversibile. Nel supercondensatore puro, invece, le cariche si limitano ad accumularsi e a disperdersi all’interfaccia senza che nessun materiale reagisca: è un processo puramente fisico, che non logora gli elettrodi. Per questo i supercondensatori sono ideali là dove non si può sostituire spesso il dispositivo, per esempio dentro sistemi sigillati, in luoghi difficili da raggiungere o in applicazioni che richiedono moltissime scariche al giorno per anni. La stessa assenza di reazioni chimiche li rende anche poco sensibili alla temperatura e capaci di erogare e ricevere correnti elevate senza danni, un insieme di qualità che ne fa il complemento ideale delle batterie più che un loro concorrente.

Domande frequenti

Che cos’è un supercondensatore?

È un dispositivo che immagazzina energia nel doppio strato elettrico all’interfaccia fra elettrodo e soluzione, senza reazioni chimiche. Si carica in secondi, sopporta moltissimi cicli e sta a metà strada fra un condensatore normale e una batteria per quantità di energia e velocità.

Che cos’è il doppio strato elettrico?

È la regione all’interfaccia fra un elettrodo e una soluzione dove si fronteggiano due strati di carica opposta: le cariche sull’elettrodo e gli ioni della soluzione. Separate da pochi nanometri, si comportano come le armature di un condensatore.

Che differenza c’è fra supercondensatore e batteria?

La batteria immagazzina più energia ma la rilascia lentamente e si degrada con i cicli; il supercondensatore immagazzina meno energia ma la eroga in pochi secondi e dura moltissimi cicli. Per questo si usano per compiti diversi, e spesso insieme.

Che cos’è la pseudocapacità?

È un contributo extra all’accumulo dato da reazioni di scambio elettronico superficiali, velocissime e reversibili. Si aggiunge all’accumulo elettrostatico del doppio strato aumentando l’energia immagazzinabile, pur mantenendo la rapidità tipica dei supercondensatori.

Dove si usano i supercondensatori?

Dove serve molta potenza per poco tempo o grande durata: recupero dell’energia di frenata nei mezzi di trasporto, stabilizzazione delle reti, dispositivi a scariche intense. Spesso affiancano le batterie gestendo i picchi di potenza e prolungandone la vita.