Sviluppo e ottimizzazione di sistemi Hybrid Battery–Supercapacitor

L’integrazione di elevata densità di potenza e lunga durata nei sistemi di accumulo energetico rappresenta una delle principali sfide tecnologiche per la mobilità elettrica sostenibile. Gli Hybrid Battery Supercapacitors (HBSCs) emergono come soluzione promettente, combinando i meccanismi di accumulo faradici tipici delle batterie con il comportamento capacitivo dei supercondensatori, con lo scopo di ottenere un comportamento intermedio sia in termini di energia (20-80 Wh/kg) che di potenza (1-10 kW/kg). Il presente lavoro, svolto in collaborazione con i laboratori di ricerca e sviluppo di NOVAC S.r.l., descrive lo sviluppo e la caratterizzazione di HBSCs basati su elettrodi costituti da carbonio attivo (AC) ad alta area superficiale con ossidi metallici quali litio titanato (Li4Ti5O12, LTO) e litio ferro fosfato (LiFePO4, LFP). Lo studio si è articolato in tre fasi principali: preparazione degli elettrodi, analisi morfologica e microstrutturale, e valutazione sistematica delle prestazioni elettrochimiche in funzione della composizione elettrodica. Gli elettrodi sono stati realizzati mediante formulazione di una slurry di materiale attivo, successivamente depositata sul collettore di corrente. La correlazione tra proprietà elettrochimiche e caratteristiche fisico-strutturali è stata indagata tramite microscopia elettronica a scansione (SEM) per l’analisi morfologica, mentre le prestazioni elettrochimiche sono state valutate mediante prove preliminari di voltammetria ciclica (CV) e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), seguite da test galvanostatici a corrente costante per valutare le prestazioni reali dei dispositivi. Il sistema ibrido ha presentato una variazione di comportamento di tipo batteria o capacitore, sia modificando la quantità di materiale attivo (mass loading o ML) depositato sull’anodo LTO, sia modificando la composizione del catodo a base di AC/LFP. L’elettrodo LTO ha mostrato un comportamento “battery-like” a bassi ML, mentre ad alti ML si è registrato un comportamento prevalentemente capacitivo. Inoltre, l’analisi del blend AC-LFP ha evidenziato, per un valore di composizione pari o superiore al 50% in peso di LFP, un contributo faradico maggiore, derivato dal fenomeno di intercalazione di litio. I sistemi ibridi mostrano una ritenzione di capacità pari a circa il 90% dopo 1000 cicli di carica-scarica galvanostatici a 5C, valore intermedio tra quello tipico dei supercondensatori convenzionali (> 95%) e quello delle batterie agli ioni di litio in condizioni analoghe (< 80%). Nel complesso, i risultati confermano il potenziale degli HBSCs basati su AC/LTO/LFP come piattaforma tecnologica flessibile per l'energy storage ad alta potenza, contribuendo allo sviluppo di soluzioni avanzate per la transizione verso sistemi di mobilità elettrica sostenibile.