Batterie, supercondensatori e celle a combustibile

Le batterie, le celle a combustibile e i supercondensatori sono sistemi che utilizzano meccanismi di immagazzinamento e conversione dell’energia elettrochimica differenti, ma presentano caratteristiche elettrochimiche simili, adatte ad applicazioni che richiedono elevata energia e densità di potenza.

Batterie

La batteria è composta dagli elettrodi (catodo (+) e anodo (-)), un elettrolita conduttivo e un separatore tra anodo e catodo. Nelle batterie ricaricabili agli ioni di litio (LIB), i cationi di litio monovalenti migrano tra gli elettrodi. Durante la scarica, l’anodo (-) si ossida (cede elettroni) e il catodo subisce una riduzione (guadagno di elettroni). Durante la carica, questo processo viene invertito. Grazie alla loro elevata energia, alla densità di potenza, alla maggiore sicurezza e al basso costo dei materiali, le batterie LIB hanno rivoluzionato l’industria elettronica e sono ormai parte integrante di molti aspetti della nostra vita, dai dispositivi mobili ai veicoli elettrici. Nel 2019, gli scienziati che hanno sviluppato questa tecnologia hanno ricevuto il Premio Nobel per la chimica.

Celle a combustibile

Le celle a combustibile sono costituite da un anodo, un catodo e un elettrolita conduttivo e sono spesso collegate in serie per formare una pila (o stack) e aumentare la quantità totale di elettricità generata. L’elettrodo è realizzato in materiale poroso rivestito con un catalizzatore per generare elettricità. Esistono cinque tipi principali di celle a combustibile che si differenziano in base al tipo di elettrolita utilizzato: membrana elettrolitica polimerica, ossido solido, acido fosforico, elettrolita alcalino e carbonato fuso. La membrana elettrolitica polimerica, detta anche membrana a scambio protonico (PEM) è considerata la tecnologia più promettente per sostituire le celle a combustibile alcaline.

Le celle a combustibile sono state sviluppate come tecnologia alternativa per la produzione di energia e stanno surclassando i tradizionali motori a combustione grazie alla loro elevata efficienza, alle basse emissioni e all’impatto ambientale ridotto. Le celle a combustibile generano unicamente acqua e calore come sottoprodotti e questo le rende ottime candidate a divenire in futuro nuove fonti di alimentazione per svariate applicazioni, tra cui dispositivi portatili, dispositivi fissi e soluzioni di trasporto.

Supercondensatori

I componenti dei supercondensatori sono simili alle batterie da cui differiscono unicamente per l’elevata capacità di immagazzinare la carica. I materiali degli elettrodi contribuiscono alle prestazioni in termini di immagazzinamento dei supercondensatori e possono essere suddivisi in tre categorie: condensatori a doppio strato ad accumulo elettrostatico, pseudocondensatori ad accumulo elettrochimico e condensatori ibridi che utilizzano entrambe le tecnologie.

I supercondensatori sono fonti di energia ad alta densità con elevata capacità di immagazzinamento dell’energia, lunga durata e elevata velocità di carica. Queste caratteristiche li rendono ideali per applicazioni nell’ambito dei veicoli ibridi, dei dispositivi portatili e dei processi di raccolta e accumulo di energia (energy harvesting).