Caratterizzazione elettrica di supercondensatori per applicazioni all'energia e alla trazione.

I supercondensatori (SC) sono dispositivi emergenti per l’accumulo energetico, offrendo alta densità di potenza, rapidi cicli di carica/scarica e lunga durata. Rispetto alle batterie, funzionano anche a basse temperature (fino a -40 °C), non presentano runaway termico e sono adatti ad ambienti ATEX. Queste proprietà li rendono ideali in ambiti come UPS, energie rinnovabili e veicoli elettrici. Tra i vari SC, i condensatori a doppio strato elettrico (EDLC) sono i più diffusi, grazie a semplicità, stabilità e buone prestazioni. Questa tesi di Laurea Magistrale propone un’analisi completa della tecnologia EDLC, integrando aspetti teorici, modellazione e caratterizzazione sperimentale. Lo studio è articolato in cinque sezioni principali. La prima sezione introduce i principi di funzionamento dei SC, con panoramica sulle varie categorie (pseudocondensatori e ibridi), concentrandosi poi sugli EDLC. Viene descritto il meccanismo di accumulo di carica all’interfaccia elettrodo-elettrolita e i materiali impiegati, con particolare attenzione ai nanomateriali a base di carbonio (carbone attivo, grafene, nanotubi), che migliorano capacità specifica e densità energetica. Sono inoltre analizzate le principali aree applicative: energie rinnovabili, trasporto elettrico, bilanciamento di rete e sistemi di backup. La seconda parte si concentra sulla modellazione mediante Modello a Circuito Equivalente (ECM). Dopo una comparazione tra vari approcci, si adotta e modifica il modello a tre rami proposto da Zubieta e Bonert (2000), introducendo una resistenza di dispersione non lineare. Viene implementata una procedura innovativa di identificazione basata su equazioni di stato e minimizzazione non lineare della differenza tra tensione simulata e misurata, tramite l’algoritmo Conventional Trust Region Reflection (CTRR). Viene inoltre condotta un’analisi dell’incertezza sui parametri del modello, considerando l’influenza della strumentazione di misura e della ripetibilità del dispositivo. Quest’ultima richiede un precondizionamento mediante cicli di carica e scarica ripetuti. L’incertezza finale viene stimata tramite una matrice di sensibilità che collega la variazione della tensione ai terminali (TVV) alle variazioni dei parametri. La terza parte presenta un approccio sperimentale di caratterizzazione, basato su standard IEC e letteratura scientifica. Vengono descritti diversi setup di misura (galvanostati, potenziostati, generatori a due quadranti) e test eseguiti, tra cui cicli a corrente costante, test di carica/auto-scarica, voltammetria ciclica e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). Queste tecniche permettono la determinazione di parametri chiave come resistenza equivalente serie (ESR), capacità, potenza, energia ed efficienza. L’analisi è stata condotta su quattro EDLC commerciali da 1 F, per verificare la coerenza e scalabilità del modello ECM e del metodo di caratterizzazione. Le simulazioni ottenute mostrano uno scostamento massimo inferiore al 2% rispetto ai dati sperimentali, su un intervallo di circa due ore. Per uno dei dispositivi è stato inoltre simulato un processo di invecchiamento, consentendo di monitorare le variazioni dei parametri tramite le stesse tecniche di caratterizzazione, utili per la valutazione dello stato di salute (SoH) del SC. In conclusione, questa tesi offre uno studio approfondito sugli EDLC, includendo i principi di funzionamento, tecniche avanzate di modellazione e una rigorosa caratterizzazione sperimentale.