Metodi di caratterizzazione della vita utile e delle prestazioni per supercondensatori (EDLC)

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato durante un tirocinio presso NOVAC, azienda specializzata nello sviluppo di supercondensatori (SC), dispositivi per l’accumulo elettrochimico di energia caratterizzati da elevata densità di potenza e rapidità di carica/scarica. Attualmente non esiste una procedura univoca e universalmente riconosciuta per la determinazione dei parametri elettrochimici che definiscono in modo oggettivo le prestazioni di una cella, né in ambito accademico né industriale. I valori dichiarati dai produttori risultano spesso difficilmente confrontabili, poiché ottenuti secondo standard interni e criteri di validazione non omogenei. La presente tesi nasce dall’esigenza di studiare e sviluppare un approccio metodologico che consenta di valutare in modo coerente e riproducibile le performance degli SC. In particolare, è stato analizzato il comportamento elettrochimico delle celle in differenti condizioni operative. Le prove sperimentali sono state condotte a tre temperature di esercizio (25 °C, 45 °C e 65 °C) e in un intervallo di tensione compreso tra 2.3 V e 3.0 V. La fase iniziale ha previsto uno screening di celle single layer (SL), realizzate con due differenti elettroliti organici: 1M TEABF₄ in propilene carbonato (PC) e 1.3M TEABF₄ in acetonitrile (ACN). Per tali configurazioni sono stati sviluppati e applicati protocolli di test dedicati. In particolare, attraverso prove di floating ed analisi ESR-C, è emerso che l’elettrolita 1.3M TEABF₄ in ACN garantisce prestazioni complessivamente superiori rispetto alla soluzione in PC. La minore viscosità dell’ACN favorisce infatti una maggiore mobilità ionica, con conseguenti valori di resistenza interna più contenuti e una rate performance migliore. Sulla base di tali evidenze sperimentali, l’ACN è stato selezionato come elettrolita di riferimento per le successive caratterizzazioni. Lo studio è stato quindi esteso a celle multi-layer pouch (MLP), consentendo il passaggio da una configurazione semplificata a una più rappresentativa di un caso applicativo reale. Le MLP sono state sottoposte a test di invecchiamento accelerato mediante prove di floating, al fine di valutare l’influenza delle condizioni operative sulla degradazione nel tempo. Dopo 300 ore di test sono stati analizzati i principali parametri elettrochimici, quali capacità e resistenza interna. I risultati ottenuti hanno permesso di strutturare un piano sperimentale secondo la metodologia del Design of Experiment (DOE), con l’obiettivo di analizzare in modo sistematico l’effetto combinato di temperatura e tensione su capacità e resistenza interna. Questo approccio ha consentito di formulare previsioni sul comportamento futuro dei dispositivi e di definire una base metodologica per stimare in modo affidabile la vita utile residua e il decadimento prestazionale dei supercondensatori in funzione delle condizioni operative considerate.