I supercondensatori possono sostituire le batterie delle auto elettriche?

Le auto elettriche e gli ibridi sono saldamente radicati nelle menti degli automobilisti moderni, come un nuovo round nell'evoluzione dei veicoli. Se consideriamo queste auto rispetto ai modelli dotati di ICE, hanno i loro vantaggi e svantaggi.

I vantaggi includono sempre il funzionamento silenzioso, nonché l'assenza di inquinamento durante il viaggio (anche se oggi la produzione di una batteria per un'auto elettrica inquina l'ambiente per oltre 30 anni di funzionamento di un singolo motore diesel).

Lo svantaggio principale dei veicoli elettrici è la necessità di caricare la batteria. Insieme a questo, i principali produttori di automobili stanno sviluppando diverse opzioni, come per aumentare la durata della batteria e aumentare l'intervallo tra le cariche. Una di queste opzioni è l'uso di supercondensatori.

Considera questa tecnologia usando l'esempio di una nuova industria automobilistica: Lamborghini Sian. Quali sono i vantaggi e gli svantaggi di questo sviluppo?

Novità nel mercato delle auto elettriche

Quando Lamborghini inizia a lanciare un ibrido, puoi stare certo che non sarà solo una versione più potente della Toyota Prius.

Sian, il debutto di un'azienda italiana nel campo dell'elettrificazione, è la prima auto ibrida prodotta in serie (ben 63 copie), in cui vengono utilizzati supercondensatori al posto delle batterie agli ioni di litio.

Molti fisici e ingegneri ritengono che sia la chiave per la mobilità elettrica di massa, e non nelle batterie agli ioni di litio. Sian usa tali per immagazzinare elettricità e, se necessario, fornirla al suo piccolo motore elettrico.

Vantaggi dei supercondensatori

Rispetto alle più moderne batterie, i supercondensatori si caricano e rilasciano energia molto più velocemente. Inoltre, possono resistere a cicli di carica e scarica significativamente maggiori senza perdita di capacità.

Nel caso di Sian, il supercondensatore aziona un motore elettrico da 25 kilowatt, integrato nel cambio. Può fornire un ulteriore aumento del V6,5 ICE da 12 ​​litri con una capacità di 785 cavalli, oppure guidare un'auto sportiva da sola durante le manovre a bassa velocità, ad esempio durante il parcheggio.

Poiché la ricarica è molto rapida, questo ibrido non deve essere collegato a una presa a muro o a una stazione di ricarica. I supercondensatori si caricano completamente ogni volta che l'auto rallenta. Gli ibridi della batteria hanno anche il recupero di energia in frenata, ma è lento e aiuta solo parzialmente a prolungare il chilometraggio elettrico.

Il supercondensatore ha un'altra grande carta vincente: il peso. Nella Lamborghini Sian, l'intero sistema – il motore elettrico più il condensatore – aggiunge solo 34 chilogrammi al peso. In questo caso, l'aumento di potenza è di 33,5 cavalli. Per fare un confronto, la sola batteria della Renault Zoe (con 136 cavalli) pesa circa 400 kg.

Svantaggi dei supercondensatori

Naturalmente, i supercondensatori presentano anche degli svantaggi rispetto alle batterie. Nel tempo, accumulano energia molto peggio: se Sian non ha guidato per una settimana, non c'è più energia nel condensatore. Ma ci sono anche possibili soluzioni a questo problema. Lamborghini sta lavorando con il Massachusetts Institute of Technology (MIT) per creare un modello puramente elettrico basato su supercondensatori, il famoso concetto Terzo Millenio.

bst

A proposito, Lamborghini, che è sotto gli auspici del Gruppo Volkswagen, non è l'unica azienda che sperimenta in questo settore. I modelli ibridi Peugeot utilizzano i supercondensatori da anni, così come i modelli a celle a combustibile a idrogeno di Toyota e Honda. I produttori cinesi e coreani li stanno installando su autobus e camion elettrici. E l'anno scorso, Tesla ha acquistato Maxwell Electronics, uno dei più grandi produttori di supercondensatori al mondo, un segno sicuro che almeno Elon Musk crede nel futuro della tecnologia.

7 fatti chiave per comprendere i supercapacitori

1 Come funzionano le batterie

La tecnologia delle batterie è una delle cose che da tempo davamo per scontata senza pensare a come funziona. La maggior parte delle persone immagina che durante la ricarica semplicemente "versiamo" elettricità nella batteria, come l'acqua in un bicchiere.

Ma una batteria non immagazzina elettricità direttamente, ma la genera solo quando necessario da una reazione chimica tra due elettrodi e un fluido (più comunemente) che li separa, chiamato elettrolita. In questa reazione, le sostanze chimiche in essa contenute vengono convertite in altre. Durante questo processo, viene generata elettricità. Quando sono completamente convertiti, la reazione si interrompe: la batteria è scarica.

Tuttavia, con le batterie ricaricabili, la reazione può avvenire anche nella direzione opposta: quando la carichi, l'energia avvia il processo inverso, che ripristina le sostanze chimiche originali. Questo può ripetersi centinaia o migliaia di volte, ma inevitabilmente ci sono delle perdite. Nel corso del tempo, le sostanze parassitarie si accumulano sugli elettrodi, quindi la durata della batteria è limitata (in genere da 3000 a 5000 cicli).

2 Come funzionano i condensatori

Non ci sono reazioni chimiche nel condensatore. Le cariche positive e negative sono prodotte esclusivamente da elettricità statica. All'interno del condensatore sono presenti due piastre metalliche conduttive separate da un materiale isolante chiamato dielettrico.

La ricarica è molto simile allo sfregamento di una palla in un maglione di lana in modo che si attacchi all'elettricità statica. Le cariche positive e negative si accumulano nelle piastre e il separatore tra loro, che impedisce loro di entrare in contatto, è in realtà un mezzo di accumulo di energia. Un condensatore può essere caricato e scaricato anche un milione di volte senza perdita di capacità.

3 Cosa sono i supercondensatori

I condensatori convenzionali sono troppo piccoli per immagazzinare energia, solitamente misurata in microfarad (milioni di farad). Questo è il motivo per cui i supercondensatori sono stati inventati negli anni '1950. Nelle loro varianti industriali più grandi, prodotte da aziende come Maxwell Technologies, la capacità raggiunge diverse migliaia di farad, ovvero il 10-20% della capacità di una batteria agli ioni di litio.

4 Come funzionano i supercondensatori

A differenza dei condensatori convenzionali, non c'è dielettrico. Le due piastre sono invece immerse in un elettrolita e separate da un sottilissimo strato isolante. La capacità di un supercondensatore aumenta effettivamente all'aumentare dell'area di queste piastre e la distanza tra loro diminuisce. Per aumentare la superficie, sono attualmente rivestiti con materiali porosi come i nanotubi di carbonio (così minuscoli che 10 miliardi di essi stanno in un cm quadrato). Il separatore può avere solo una molecola di spessore con uno strato di grafene.

Per capire la differenza, è meglio immaginare l'elettricità come acqua. Un semplice condensatore in questo caso sembrerà un tovagliolo di carta, che può assorbire una quantità limitata. Un supercondensatore è una spugna da cucina nell'esempio.

5 batterie: pro e contro

Le batterie hanno un vantaggio significativo: l'elevata densità di energia, che consente loro di immagazzinare quantità relativamente elevate di energia in un piccolo serbatoio.

Tuttavia, presentano anche molti svantaggi: peso elevato, durata limitata, ricarica lenta e rilascio di energia relativamente lento. Inoltre, per la loro produzione vengono utilizzati metalli tossici e altre sostanze pericolose. Le batterie sono efficienti solo in un intervallo di temperature ristretto, quindi spesso devono essere raffreddate o riscaldate, riducendo la loro elevata efficienza.

6 Supercapacitor: Pro e contro

I supercondensatori sono molto più leggeri delle batterie, la loro vita è incomparabilmente più lunga, non richiedono sostanze pericolose, si caricano e rilasciano energia quasi istantaneamente. Poiché non hanno quasi nessuna resistenza interna, non consumano energia per funzionare: la loro efficienza è del 97-98%. I supercondensatori funzionano senza deviazioni significative nell'intero intervallo da -40 a +65 gradi Celsius.

Lo svantaggio è che immagazzinano molta meno energia rispetto alle batterie agli ioni di litio.

7 nuovi materiali

Anche i supercapacitori moderni più avanzati non possono sostituire completamente le batterie dei veicoli elettrici. Ma molti scienziati e aziende private stanno lavorando per migliorarli. Ad esempio, nel Regno Unito, Superdielectrics lavora con materiali originariamente creati per la produzione di lenti a contatto.

Skeleton Technologies sta lavorando con il grafene, una forma allotropica del carbonio. Uno strato spesso un atomo è 100 volte più resistente dell'acciaio ad alta resistenza e solo 1 grammo di esso può coprire 2000 metri quadrati. L'azienda ha installato supercondensatori al grafene nei furgoni diesel convenzionali e ha ottenuto un risparmio di carburante del 32%.

Nonostante il fatto che i supercondensatori non riescano ancora a sostituire completamente le batterie, oggi c'è una tendenza positiva nello sviluppo di questa tecnologia.

Domande e risposte:

Come funziona un supercondensatore? Funziona allo stesso modo di un condensatore ad alta capacità. In esso, l'elettricità viene accumulata a causa dell'elettricità statica durante la polarizzazione dell'elettrolita. Sebbene sia un dispositivo elettrochimico, non avviene alcuna reazione chimica.

A cosa serve un supercondensatore? I supercondensatori sono utilizzati per l'accumulo di energia, motori di avviamento, nei veicoli ibridi, come fonti di corrente a breve termine.

In che modo un supercondensatore è diverso dai diversi tipi di batterie? La batteria è in grado di generare elettricità da sola attraverso una reazione chimica. Il supercondensatore accumula solo l'energia rilasciata.

Dove viene utilizzato il supercondensatore? I condensatori a bassa capacità sono utilizzati nelle unità flash (completamente scariche) e in qualsiasi sistema che richiede un numero elevato di cicli di scarica/carica.