Progettazione ed ottimizzazione della formulazione di elettrodi per supercondensatori a doppio strato elettrico (EDLC)

Il presente elaborato di tesi riguarda la progettazione di elettrodi per condensatori a doppio strato elettrico (EDLC), con particolare attenzione all’ottimizzazione delle prestazioni in termini di potenza ed energia. Il progetto, svolto presso la Novac S.r.l., azienda specializzata nello sviluppo e nella produzione di soluzioni avanzate per lo stoccaggio di energia, si inserisce nell’ambito del piano di espansione dell’azienda, che mira a consolidarsi come uno dei principali produttori di dispositivi EDLC e a raggiungere prestazioni comparabili a quelle dei leader del settore dell’energy storage. La progettazione di elettrodi per supercondensatori di tipo EDLC ha richiesto un’approfondita analisi dei materiali costituenti l’elettrodo e delle composizioni percentuali ottimali adottate a livello industriale per la formulazione della slurry destinata al processo di fabbricazione. A tale fase preliminare è seguita un’estesa attività sperimentale volta alla caratterizzazione dei materiali disponibili in azienda, appartenenti alle principali categorie funzionali: materiali attivi (carbone attivo, AC), additivi conduttivi (carbon black, CB) e leganti polimerici (carbossimetilcellulosa, CMC, e stirene–butadiene rubber, SBR). Le diverse formulazioni sono state valutate mediante tecniche elettrochimiche quali spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e voltammetria ciclica (CV), integrate da prove di cycling e test di invecchiamento accelerato, al fine di analizzare le prestazioni operative reali dei dispositivi in termini di capacità, resistenza interna e stabilità nel tempo. Parallelamente, sono stati investigati anche i parametri di processo e operativi coinvolti nella preparazione della slurry e nella successiva produzione degli elettrodi. In particolare, è stata valutata l’influenza della tipologia di miscelazione e del macchinario impiegato, nonché dei principali parametri di processo, quali la velocità di miscelazione (rpm), i tempi di miscelazione, lo spessore e la velocità di stesura della slurry sul collettore di corrente, oltre alla temperatura e ai tempi di asciugatura. L’analisi di tali variabili ha consentito di correlare le condizioni di processo alle proprietà microstrutturali e alle prestazioni elettrochimiche finali dell’elettrodo. L’approccio metodologico adottato si è basato sulla variazione sistematica di un singolo parametro alla volta, modificando alternativamente la tipologia di materiale attivo, l’additivo conduttivo o il legante, nonché la loro percentuale in peso all’interno della composizione. Tale strategia ha consentito di isolare l’influenza di ciascun fattore e di correlarne l’effetto alle proprietà elettrochimiche e strutturali dell’elettrodo, permettendo un’ottimizzazione progressiva della formulazione. Grazie allo studio integrato di tutti questi fattori e parametri, l’obiettivo è stato quello di individuare una composizione ottimale della formulazione dell’elettrodo, in grado di garantire adeguate proprietà fisico-meccaniche, quali elevata resistenza meccanica, buona adesione al collettore di corrente e adeguata coesione del film elettrodico, unitamente a prestazioni elettrochimiche competitive in termini di bassa resistenza interna equivalente (ESR) ed elevata capacità specifica. Ciò ha consentito di ottenere elettrodi con prestazioni complessive comparabili a quelle di dispositivi commerciali di riferimento.