Innovazioni nello sviluppo dei supercondensatori: passato, presente e futuro

L' industria dell'elettronica di potenza è in una spirale ascendente e non mostra segni di cedimento, poiché la tendenza all'elettrificazione penetra in una più ampia gamma di domini industriali e implica la necessità di dispositivi elettronici di potenza ad alta tecnologia. Negli ultimi anni, c'è stato un netto aumento della necessità di soluzioni avanzate di accumulo di elettricità, innescato dall'essenzialità di uno stoccaggio più veloce, una gestione efficiente dell'energia e l'ottimizzazione energetica.

La natura guidata dalle applicazioni dell'industria dell'elettronica di potenza ha svolto un ruolo importante nello sviluppo di soluzioni di accumulo di elettricità, come i condensatori. La relativa efficacia in termini di tempo nella carica dei condensatori ha stimolato la loro implementazione in una moltitudine di dispositivi di accumulo di energia. Tuttavia, esiste ancora il potenziale per migliorare la capacità di immagazzinamento dell'elettricità dei condensatori, che a loro volta hanno portato allo sviluppo di supercondensatori, noti anche come ultracondensatori o condensatori elettrochimici (EC).

L'attenzione all'accumulo efficiente di energia ha innescato l'emergere di supercondensatori

Quando gli sviluppi industriali hanno iniziato a ruotare attorno alla tendenza all'elettrificazione, le innovazioni nella progettazione dei supercondensatori hanno accelerato il passo. Giganti globali, tra cui General Electric, hanno condotto esperimenti dedicati al miglioramento del design dei supercondensatori, nel tentativo di capitalizzare la crescente domanda di supercondensatori nelle industrie come fattore chiave per l'elettrificazione. La NEC Corporation è stata tra le prime poche aziende a introdurre commercialmente i supercondensatori nel mondo; la Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) è principalmente attribuita per l'invenzione.

Dopo l'emergere dei superconduttori come soluzione di accumulo di energia più efficiente, la popolarità della tecnologia EC è aumentata immediatamente. I progetti dei supercondensatori sono avanzati attraverso diverse generazioni sin dal loro primo lancio commerciale. Le organizzazioni di ricerca e le aziende leader nel settore dell'elettronica di potenza si stanno ancora concentrando sull'innovazione dei metodi e dei materiali di produzione per migliorare ulteriormente l'efficienza dei costi e le prestazioni dei supercondensatori.

Gli istituti di ricerca hanno scoperto procedure di produzione innovative per i supercondensatori

Nonostante le eccellenti caratteristiche operative dei supercondensatori, i produttori stanno ancora lottando per controllare gli elevati costi di produzione e la minore capacità di immagazzinamento dell'energia dei supercondensatori, rispetto alle batterie. Inoltre, le preoccupazioni relative alla durabilità a proposito dei supercondensatori ne hanno limitato l'adozione nelle applicazioni industriali in una certa misura. In risposta a queste preoccupazioni, le aziende produttrici di supercondensatori hanno investito molto in ricerca e sviluppo (R&S) per progettare una versione più avanzata dei supercondensatori.

Alcune delle innovazioni basate sulla ricerca che hanno plasmato il mercato dei supercondensatori negli ultimi cinque anni sono:

• Nel febbraio 2013, i ricercatori dell'Università della California, a Los Angeles, hanno scoperto un metodo di fabbricazione innovativo ed economico per produrre supercondensatori su micro scala utilizzando un masterizzatore DVD LightScribe di livello consumer. Questi micro-supercondensatori sono costituiti da uno strato di carbonio grafitico spesso un atomo e possono essere facilmente integrati in dispositivi elettronici miniaturizzati. Con l'uso di un foglio bidimensionale di grafene in combinazione con la nuova tecnica di fabbricazione, i ricercatori potrebbero ridurre i costi di produzione in larga misura ed espandere la portata delle applicazioni dei supercondensatori.
• Nel luglio 2013, i ricercatori dell'Istituto nazionale di scienza e tecnologia (UNIST) di Ulsan hanno sviluppato un metodo innovativo per la produzione di massa di nanopalle (MGB) di grafene mesoporoso tridimensionale che possono essere utilizzate nella produzione di supercondensatori. I ricercatori hanno previsto che le proprietà del grafene mesoporoso miglioreranno la scalabilità, la qualità e l'efficienza in termini di costi dei supercondensatori, ampliando la portata delle loro applicazioni nei veicoli elettrici.
• Nell'agosto 2014, gli ingegneri della Monash University in Australia hanno sviluppato un nuovo metodo di produzione del grafene all'interno dei supercondensatori per migliorare la loro densità energetica 10 volte di più rispetto ai dispositivi commerciali. Gli ingegneri hanno creato un materiale di grafene macroscopico attraverso un processo simile al metodo di produzione della carta tradizionale. Inoltre, hanno ulteriormente affermato che riducendo la sostanza chimica a base di soluzione - l'ossido di grafite nel grafene, gli ingegneri potrebbero aprire nuove strade per la commercializzazione del grafene e dei supercondensatori 10 volte più densi di energia.
• Un gruppo di ricercatori della Corea del Sud ha scoperto un materiale alternativo insolitamente innovativo ma altamente adatto per gli elettrodi dei supercondensatori nell'agosto 2014. Hanno escogitato un modo per utilizzare filtri per sigarette nei supercondensatori, che possono essere trasformati in un materiale a base di carbonio ad alte prestazioni ad alta potenza densità. I ricercatori potrebbero utilizzare con successo i filtri per sigarette usate per immagazzinare più energia elettrica rispetto al carbone disponibile in commercio.

Il focus sugli sviluppi dei materiali dei supercondensatori è onnipresente

Il passaggio allo sviluppo di materiali ad alte prestazioni ha acquisito una palpabilità assoluta tra i produttori di supercondensatori, con la domanda sempre crescente di supercondensatori in varie applicazioni industriali, come l'elettronica di consumo indossabile e i veicoli elettrici. Sebbene il grafene rimanga uno dei materiali adatti per i supercondensatori, le attività di ricerca in corso alludono a trasformazioni significative nel panorama del mercato dei supercondensatori.

Un gruppo di chimici del Van't Hoff Institute for Molecular Sciences dell'Università di Amsterdam ha inventato un nuovo materiale per il supercondensatore mentre conduceva gli esperimenti per il loro progetto sulle celle a combustibile. I ricercatori hanno scoperto che il materiale del supercondensatore altamente poroso è a basso costo, leggero e non tossico e può essere utilizzato in potenziali applicazioni commerciali dei supercondensatori, come i dispositivi di trasporto, elettronica e di immagazzinamento dell'energia.

Un altro gruppo di scienziati della UC Santa Cruz e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha utilizzato grafene ultraveloce stampato in 3D per ridurre gli spessori dell'ordine di millimetri e migliorare le caratteristiche prestazionali dei supercondensatori, comprese le densità di potenza e la ritenzione di capacità.

Un supercondensatore pieghevole è stato realizzato con carta normale dagli ingegneri della Georgia Tech e della Korea University che potrebbe immagazzinare più energia più a lungo, specialmente nei prodotti elettronici indossabili in quanto è flessibile. Scienziati, ingegneri e ricercatori di tutto il mondo si stanno concentrando principalmente sul bilanciamento della densità di potenza e della densità di energia dei supercondensatori al fine di evitare la perdita di potenza immediatamente.

I recenti sviluppi e innovazioni nei materiali utilizzati nella produzione di supercondensatori si concentrano principalmente sulla riduzione della possibilità di autoscarica o cortocircuito. Le parti interessate nel mercato dei supercondensatori mirano a trarre vantaggio dalle varie caratteristiche prestazionali degli pseudo-condensatori e dei condensatori ibridi, che possono riflettere una densità di energia più elevata rispetto a qualsiasi altro tipo di supercondensatore.

Mentre la domanda di condensatori elettrici a doppio strato rimane più alta nel mercato dei supercondensatori, i condensatori ibridi stanno assistendo a un aumento della domanda in varie applicazioni industriali.

Industria automobilistica - Area potenziale di crescita chiave per i produttori di supercondensatori

Il settore automobilistico è attualmente l'area ad alto potenziale di crescita per i produttori di dispositivi di accumulo di energia di alta qualità, come i supercondensatori. Nel 2013, applicazioni automotive di supercondensatori rappresentavano meno di 1/5 ^° della quota di fatturato del mercato supercondensatori. Tuttavia, con i recenti sviluppi nell'industria automobilistica, le automobili sono diventate una delle applicazioni più importanti dei supercondensatori.

Con i produttori automobilistici che si concentrano sulla riduzione della dipendenza dall'industria petrolifera e gli organi di governo che impongono rigide normative ambientali, le prospettive di crescita per i veicoli elettrici dovrebbero essere promettenti. Ciò ha portato i produttori di supercondensatori ad intravedere opportunità redditizie nell'industria automobilistica in rapida evoluzione.

Lo sviluppo di supercondensatori adatti per veicoli elettrici o veicoli elettrici ibridi è una delle strategie di business più importanti delle aziende produttrici di supercondensatori. D'altra parte, anche i produttori automobilistici sono in corsa per lanciare veicoli elettrici più efficienti, il che ha giustificato la loro ricerca di sistemi di accumulo di energia di alta qualità. Ciò si riflette in ultima analisi nella portata in continua espansione delle innovazioni nei supercondensatori nell'industria automobilistica in rapida evoluzione.

Nel febbraio 2019, Tesla Inc. - colosso globale nei settori automobilistico ed energetico - ha annunciato di aver acquisito Maxwell Technologies Inc. - una delle principali società di tecnologia delle batterie - per circa 218 milioni di dollari. L'azienda mira a capitalizzare opportunità redditizie per i veicoli elettrici e, con questa acquisizione, prevede di aggiungere competenze nel campo dei supercondensatori che potrebbero accelerare le capacità di ricarica delle auto.

Nel maggio 2018, Rolls-Royce, il principale produttore mondiale di auto di lusso, ha siglato un accordo di collaborazione con Superdielectrics Ltd, una start-up tecnologica con sede nel Regno Unito, esplora il potenziale dei supercondensatori e crea un sistema di accumulo ad alta energia all'avanguardia tecnologia. Con questa partnership, Roll-Royce mira a combinare la sua esperienza nella scienza dei materiali con i polimeri idrofili di Superdielectrics per lo sviluppo di applicazioni per batterie di supercondensatori di livello mondiale.

Lamborghini è un'altra casa automobilistica leader che si unisce al gruppo di case automobilistiche che stanno pianificando di sfruttare le straordinarie caratteristiche dei supercondensatori durante l'elettrificazione dell'industria automobilistica. Il direttore tecnico della società ha recentemente dichiarato che la società ha precedentemente utilizzato supercondensatori nella Lamborghini Aventador per la batteria di avviamento. Gli esperti prevedono che il successore di Aventador potrebbe utilizzare gli stessi supercondensatori.

L'industria automobilistica in continua evoluzione ha creato un ambiente competitivo molto interessante per i produttori di supercondensatori. La ricerca di progressi costanti nelle prestazioni dei supercondensatori rischia di innescare alcune innovazioni rivoluzionarie nel mercato dei supercondensatori nei prossimi anni.

Ruolo dei supercondensatori nelle prospettive dei settori dell'elettronica e dell'energia e dell'energia

Si prevede che l'industria automobilistica e dei trasporti rappresenterà più di un terzo della quota di entrate del mercato dei supercondensatori nel prossimo decennio. Nonostante il glorificato futuro dei supercondensatori nell'industria automobilistica new age, è probabile che l'elettronica di consumo e le industrie dell'energia e dell'energia detengano la parte del leone nello sviluppo del mercato dei supercondensatori.

I supercondensatori sono pubblicizzati come il cavallo di battaglia di qualsiasi prodotto elettronico che funziona con batterie o sistemi di accumulo di energia. Nei prossimi anni, è probabile che i supercondensatori siano testimoni di un'accettazione onnipresente in vari settori verticali. È probabile che il futuro del mercato dei supercondensatori assisterà all'emergere di EC che alimenteranno il futuro dei moderni dispositivi indossabili e dei prodotti elettronici di consumo. I supercondensatori solari sono anche una cosa dal futuro, che dovrebbe avere un enorme potenziale di vendita nel panorama dei sensori indossabili, in particolare nei dispositivi sanitari indossabili.

Le attività di ricerca in corso e gli sviluppi nel settore dell'elettronica di potenza continuano a suggerire che i supercondensatori sostituiranno le batterie nel prossimo futuro. Con le crescenti applicazioni di supercondensatori in vari settori industriali, come elettronica, energia e potenza, militare e difesa e aerospaziale, il mercato globale dei supercondensatori dovrebbe superare i 5,5 miliardi di dollari entro il 2028. Il tasso di crescita esponenziale del mercato dei supercondensatori è dovrebbe amplificare opportunità redditizie per ricercatori, produttori e altre parti interessate nel panorama.

Aditi Yadwadkar è una scrittrice esperta di ricerche di mercato e ha scritto molto sul settore dell'elettronica e dei semiconduttori. In Future Market Insights (FMI), lavora a stretto contatto con il team di ricerca di Electronics and Semiconductor per soddisfare le esigenze dei clienti di tutto il mondo. Questi approfondimenti si basano su un rapporto sul mercato dei supercondensatori di FMI.