Scoperta della Gomma Arborea Incrementa la Durata dei Supercondensatori

Batterie sono tra i dispositivi di accumulo di energia più popolari. Questi dispositivi elettrochimici possono essere caricati e scaricati molte volte senza danni. Offrono numerosi vantaggi, come la riduzione dei costi energetici, l’aumento dell’indipendenza energetica, il miglioramento della stabilità della rete e il supporto all’integrazione delle energie rinnovabili. 

Ma esiste un altro dispositivo di accumulo di energia elettrochimica che vanta capacità molto superiori rispetto alle batterie. Quel dispositivo è un supercondensatore, chiamato anche ultracondensatore o condensatore elettrochimico.

Un dispositivo di accumulo di energia ad alta capacità, il supercondensatore, colma il divario tra le batterie e i condensatori convenzionali. 

Questo dispositivo presenta un’alta densità di potenza, circa mille volte superiore a quella delle batterie ricaricabili. Inoltre immagazzina più carica rispetto a un condensatore e si carica e scarica più rapidamente delle batterie.

Oltre a possedere una lunga stabilità ciclica, i supercondensatori hanno un’efficienza di carica/scarica rapida, il che li rende adatti per applicazioni che richiedono brevi esplosioni di potenza. Oggi, i supercondensatori sono sempre più impiegati in una varietà di applicazioni, tra cui laser, alimentatori portatili, attrezzature per flash fotografici, generatori di luce pulsata, sistemi di energia rinnovabile, veicoli ibridi elettrici e backup di energia industriale.

Attualmente, un supercondensatore è composto da due elettrodi, conduttori elettronici collegati al circuito esterno, separati da un elettrolita, un conduttore ionico, e da un separatore, che è una membrana che li separa elettricamente in modo che gli elettrodi non si cortocircuitino, consentendo al contempo il passaggio di alcuni ioni per evitare un circuito aperto nel sistema.

Grazie alla sua alta densità di potenza e alla sua compatibilità ambientale, come la riciclabilità, il supercondensatore è uno dei sistemi di accumulo di energia più ampiamente e attivamente studiati.

In un supercondensatore, la reazione controllata dalla superficie determina principalmente la sua capacità. Pertanto, un’interfaccia stabile tra elettrodo ed elettrolita è fondamentale per ottenere alte prestazioni e garantire una performance elettrochimica stabile.

Le proprietà interfaciali sono cruciali per garantire alte prestazioni elettrochimiche, perciò i ricercatori hanno sviluppato diversi metodi per migliorare e superare i problemi ad esse associati.

Tuttavia, tutti questi tentativi incontrano limitazioni considerevoli, come la scalabilità, i costi, la compatibilità ambientale e i numerosi passaggi richiesti nella lavorazione. Pertanto, è fondamentale trovare una soluzione sostenibile che soddisfi questi criteri e possa comunque raggiungere l’alta densità energetica/potenza del supercondensatore per un funzionamento a lungo termine. 

Così, un team di ricercatori provenienti da tre diverse istituzioni si è unito per introdurre un nuovo additivo per l’elettrolita, costituito da un biopolimero coniugato di gomma kondagogu o alginato di sodio (KS). Questa gomma arborea non è solo ampiamente disponibile, ma anche riciclabile. 

L’introduzione della gomma arborea ha creato uno strato protettivo sulla superficie dell’elettrodo, che ha impedito la formazione di sottoprodotti consentendo al contempo un facile trasporto ionico/elettronico. In particolare, l’impiego di questo nuovo concetto di additivo nel sistema del supercondensatore porta a una maggiore affidabilità elettrochimica. 

Anche a una concentrazione molto bassa di KS, ovvero 5 mg ml‑1, la conservazione della capacità è migliorata fino al 35%, raggiungendo un impressionante 93% dopo 30.000 cicli a una densità di corrente di 4,0 mA cm‑2. Questo è semplicemente “notevole” considerando l’uso di elettrolita acido H2SO4 e di elettrodi a base di carbonio.

Lo studio definisce questo il “primo rapporto” su un notevole miglioramento del funzionamento a lungo termine del supercondensatore mediante l’introduzione di un additivo elettrolitico biopolimero coniugato. Questa soluzione, grazie alla sua semplicità, al basso costo e alla compatibilità ambientale, ha il potenziale per essere commercializzata.

Il Ruolo della Gomma Arborea nei Supercondensatori di Nuova Generazione

I ricercatori dalle università in Scozia, Corea del Sud e¹ India hanno condotto lo studio, pubblicato questo mese su Energy Storage Materials. 

Ciò include l’Università di Glasgow, la Chung-Ang University, l’Ajou University, l’Amrita University e la Myongji University, che hanno progettato congiuntamente la struttura composita KS coniugata per un supercondensatore altamente stabile che offre biocompatibilità ed eccellente affidabilità elettrochimica.

La gomma di scarto utilizzata qui è prodotta da alberi in India. Le gomme arboree hanno numerosi casi d’uso in settori come alimentare, cosmetico e farmaceutico. Tuttavia, questa specifica gomma non ha molte applicazioni pratiche.

In effetti, le gomme utilizzate sono “un po’ un grattacapo per il governo indiano da smaltire,” ha osservato l’autore corrispondente dello studio, il dott. Jun Young Cheong della James Watt School of Engineering dell’Università di Glasgow. Ha aggiunto:

“Con questa ricerca, abbiamo trovato un modo per creare qualcosa di veramente impattante da questa gomma, realizzando un biopolimero biodegradabile e riciclabile che consente prestazioni notevoli e potrebbe estendere drasticamente la vita utile dei supercondensatori.” 

L’uso di elettroliti acidi influisce sulle prestazioni a lungo termine dei supercondensatori. Causando reazioni indesiderate con i loro elettrodi metallici, riducono la capacità di mantenere una carica completa nel tempo.

Poi c’è il problema della sostituzione, del riciclaggio e dello smaltimento dei supercondensatori al termine della loro vita. Questo contribuisce al problema in rapida crescita dei rifiuti elettronici, che comporta rischi ambientali e sanitari significativi.

Quindi, il team ha utilizzato la gomma kondagogu, un polisaccaride (biomolecola complessa) prodotto dalla corteccia dell’albero Cochlospermum Gossypium o gomma Kondagogu (KO). I ricercatori l’hanno combinata con alginato di sodio per produrre un biopolimero simile a una spugna chiamato ‘KS’.

L’aggiunta di questo biopolimero all’elettrolita acido ha formato uno strato protettivo sui suoi elettrodi di carbonio, contribuendo a prevenire il degrado fisico degli elettrodi. Questa protezione è stata fornita senza influenzare il processo di trasporto ionico, che consente al supercondensatore di caricarsi e scaricarsi.

L’elettrolita migliorato ha notevolmente potenziato le prestazioni del supercondensatore.

“In laboratorio, abbiamo dimostrato eccellenti prestazioni per oltre 30.000 cicli. Se eseguissimo un ciclo al giorno, il supercondensatore potrebbe teoricamente durare più di 80 anni senza perdere prestazioni significative, il che potrebbe significare che i supercondensatori potrebbero essere usati nei dispositivi per molto più tempo senza necessità di sostituzione.” 

– Dott. Cheong

La ricerca si basa in realtà sul lavoro continuo del dott. Cheong sull’uso di rifiuti biologici nelle batterie. Il suo studio ha anche dimostrato l’efficacia dell’uso di leganti a base di gomma, solubili in acqua, negli anodi di grafite nelle batterie al litio.

La ricerca “leganti a base di gomma biowaste solubili in acqua per anodo di grafite naturale per batterie al litio” è stata pubblicata² l’estate scorsa, e trattava della sostituzione del tradizionale polivinilidenfluoruro (PVdF), che utilizza il nocivo N-Metil-2-pirrolidone, con un legante solubile in acqua.

Lo studio ha dettagliato la fabbricazione di anodi a base di grafite naturale utilizzando PVdF e leganti biowaste solubili in acqua (W-SB) derivati dalla gomma dell’albero Cochlospermum gossypium. Entrambi hanno impiegato il 10% in peso di legante. 

L’elettrodo NG-W-SB ha mostrato buone proprietà meccaniche e ha mantenuto l’integrità strutturale dopo il ciclo, favorendo una bassa resistenza al trasferimento di carica sull’elettrodo. Ha inoltre mostrato picchi di corrente elevati nel primo ciclo, indicando prestazioni elettrochimiche migliorate, a differenza dei picchi leggermente più bassi dell’elettrodo NG-PVdF, che ha subito un degrado della capacità subito dopo 200 cicli. NG-W-SB, nel frattempo, presenta una ritenzione di capacità stabile più alta che arriva fino a 360 cicli.

“In generale, i leganti W-SB hanno mostrato caratteristiche di ritenzione di ciclo notevolmente migliorate, capacità di tasso comparabili e una resistenza dell’elettrodo più bassa, aprendo una nuova strada per l’adozione di biowaste (gomma) come legante funzionale solubile in acqua per applicazioni LIB,” ha osservato lo studio.

Un’altra ricerca del dott. Cheong³ include “Carbonio attivato derivato da materiale organico per supercondensatore di carta di gelso ecologico”, dove il carbonio attivato (AC) è stato preparato usando buccia d’arancia (OP), un rifiuto comune, poi rivestito su carta di gelso (MP), che dimostra idrofilia, alto contenuto di olocellulosa e forte legame con il materiale attivo. Un ulteriore rivestimento di polietilene (3,4-ethylenedioxythiophene) polistirene sulfonato (PEDOT:PSS) è stato usato per fabbricare una MP a doppio rivestimento per il supercondensatore qui.

Altri Sviluppi nel Campo dei Supercondensatori

Dato il ruolo cruciale dei supercondensatori in varie applicazioni, i ricercatori di tutto il mondo stanno attivamente investigando modi per migliorare le loro prestazioni. 

Trattamento al Plasma per Migliorare la Capacità

All’inizio di questo mese, gli scienziati dell’Istituto Skolkovo di Scienza e Tecnologia (Skoltech) della Russia hanno presentato un trattamento al plasma in grado di raddoppiare la capacità dei supercondensatori.

Il team, secondo il principale investigatore dello studio, il professor assistente Stanislav Evlashin, sta esplorando modi per migliorare le prestazioni dei supercondensatori “smanettando il materiale a base di carbonio usato nei loro elettrodi.”

Ci sono due modi per aumentare la quantità di energia immagazzinata da un supercondensatore, ha spiegato Evlashin:

“O si aumenta l’area superficiale efficace degli elettrodi mediante un design superficiale intricato, oppure si introducono atomi estranei nel materiale di carbonio degli elettrodi.”

Il loro studio si è concentrato sull’effetto dell’introduzione di atomi estranei nel materiale di carbonio degli elettrodi del supercondensatore tramite trattamento al plasma. 

Il team ha testato l’impatto del plasma con sei diverse composizioni chimiche sulla capacità delle nanowall di carbonio, ma solo il plasma composto da una miscela di azoto e argon ha mostrato un miglioramento sostanziale. 

“Abbiamo scoperto che ciò che avviene prima è che il carbonio amorfo residuo dopo la crescita delle strutture di nanowall di carbonio viene rimosso. Segue la formazione di nuovi difetti e l’incorporazione di eteroatomi nella struttura del materiale di carbonio. Il carbonio amorfo, insieme agli eteroatomi di azoto, contribuisce alla comparsa della pseudocapacitanza.”

– Evlashin

Migliorare le Prestazioni tramite Ingegneria di Elettrodi e Materiali

Questa settimana, ricercatori dell’Università della California hanno ingegnerizzato l’orientamento dell’elettrocristallizzazione⁴ e l’attivazione della superficie in ZHSC a larga gamma di temperature o supercondensatori a ioni di zinco.

Come osservato nello studio, abbinare la capacità dell’anodo e del catodo è necessario per massimizzare le prestazioni della cella elettrochimica. Pertanto, hanno presentato due approcci per livellare l’utilizzo degli elettrodi nei ZHSC. 

Ciò include la riduzione della formazione di dendriti, che aumenta la durata del ciclo, modificando il collettore di corrente dell’anodo con nanoparticelle di rame. L’altra strategia consisteva nell’aumentare la capacità del catodo di carbonio attivato tramite una reazione elettrolitica.

La cella completa ha mantenuto l’84% della sua capacità anche dopo 50.000 cicli completi di carica-scarica fino a 2 V. La sua capacità cumulativa, nel frattempo, era di 19,8 Ah cm⁻², superando i ZHSC, rendendo questo design di dispositivo “promettente per applicazioni ad alta resistenza, inclusi sistemi di alimentazione ininterrotta e sistemi di recupero energetico che richiedono cicli frequenti,” ha dichiarato.

Uno studio del mese scorso, nel frattempo, ha raccomandato⁵ di modificare la struttura anionica dell’ossido di cobalto di litio per migliorare la densità energetica e la capacità di immagazzinamento della carica dei supercondensatori.

Per questo, l’ossido di cobalto di litio è stato modificato in LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, che ha mostrato caratteristiche di prestazione impressionanti, inclusa una capacità di 512 F g⁻¹ e un’efficienza coulombica di poco più del 92% dopo 4000 cicli a una densità di corrente di 2 A g⁻¹. La stabilità elettrochimica del materiale modificato a tassi di corrente elevati, così come la bassa resistenza serie equivalente, secondo lo studio, “lo posiziona come un candidato significativo per futuri avanzamenti nella tecnologia dei supercondensatori.”

Supercondensatori in Plastica per Maggiore Accumulo di Energia

I ricercatori stanno persino usando la plastica per migliorare i supercondensatori. Chimici della UCLA hanno sviluppato nanofibre di PEDOT testurizzate, simili a pelliccia, che hanno una maggiore superficie per immagazzinare carica e una superiore conduttività elettrica.

PEDOT o poli(3,4-ethylenedioxythiophene) è un film trasparente e flessibile applicato alle superfici di componenti elettronici e pellicole fotografiche per proteggerli dall’elettricità statica. Il suo potenziale per l’accumulo di energia è piuttosto limitato poiché i materiali PEDOT non possiedono la conduttività elettrica e l’area superficiale necessarie per contenere grandi quantità di energia.

Tuttavia, usando un metodo innovativo, i chimici hanno controllato la morfologia del PEDOT per far crescere nanofibre in modo preciso. Il processo di crescita in fase di vapore ha creato nanofibre verticali di PEDOT che sembravano erba densa che cresce verso l’alto.

“La crescita verticale unica del materiale ci consente di creare elettrodi PEDOT che immagazzinano molta più energia rispetto al PEDOT tradizionale.”

– L’autore corrispondente, scienziato dei materiali della UCLA Maher El-Kady

Il team ha poi creato un supercondensatore usando strutture di PEDOT che hanno immagazzinato quasi dieci volte più carica rispetto al PEDOT convenzionale e hanno durato quasi 100.000 cicli di carica.

Secondo l’autore corrispondente, Richard Kaner, professore di chimica, nonché di scienza e ingegneria dei materiali:

“Le prestazioni eccezionali e la durata dei nostri elettrodi mostrano un grande potenziale per l’uso del graphene PEDOT nei supercondensatori, che può aiutare la nostra società a soddisfare le esigenze energetiche.”

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Aggiungere Supercondensatori alle Batterie per Accelerare la Velocità di Ricarica

Nel mezzo di tutta questa ricerca, anche il produttore automobilistico tedesco BMW ha depositato un brevetto per un supercondensatore che ricaricherà le auto da corsa ibride in un minuto.

L’azienda sta esplorando il potenziale di aggiungere un supercondensatore specifico per il motorsport alle batterie per ridurre significativamente i tempi di ricarica. Secondo la domanda, accoppiare una supercar ibrida con una capacità superiore a 20 kWh a un sistema basato su batterie esistente aiuterà a superare alcuni dei principali svantaggi di entrambi i sistemi.

BMW stima che “per un cliente che vuole guidare il veicolo in pista, questo potrebbe offrire l’opportunità di guidare continuamente ai limiti fisici con brevi interruzioni.”

Il suo concorrente, Volkswagen Group, nel frattempo, sta già utilizzando un supercondensatore nella Lamborghini Sian. Il supercondensatore immagazzina energia elettrica, che viene poi fornita a un motore elettrico. La Sian ha un motore da 25 kW integrato nella trasmissione per fornire un e-boost al V12 da 577 kW e 6,5 litri o alimentarlo interamente con elettricità durante le manovre a bassa velocità.

Aziende Innovative nel Settore

La dimensione del mercato globale dei supercondensatori è di miliardi di dollari, spinta dalla crescente domanda di soluzioni di accumulo energetico sostenibili ed efficienti. Pertanto, molte aziende, come Panasonic Corporation e Skeleton Technologies, stanno lavorando per migliorare la tecnologia.

Un nome di spicco in questo settore è AVX Corporation, che è stata acquisita dal produttore giapponese di elettronica Kyocera Corporation nel 2020, facendo cessare la negoziazione delle azioni AVX sul NYSE. Le azioni di Kyocera, nel frattempo, sono scambiate sul mercato OTC (KYOCF:OTCPK) a $10,70, con una capitalizzazione di mercato di $15,85 miliardi. Offre un rendimento da dividendo del 3,12%.

KEMET Corporation è anche nota per offrire un’ampia gamma di supercondensatori con capacità ad alte prestazioni che possono essere usati come batterie secondarie quando inseriti in un circuito DC. Secondo il suo sito ufficiale, i dispositivi sono più adatti per applicazioni a bassa tensione e di mantenimento DC. Originariamente una società statunitense quotata al NYSE nel 1990, KEMET è stata acquisita dalla società taiwanese Yageo Corporation nel 2020.

Maxwell Technologies è un altro importante produttore di ultracondensatori. Tesla (TSLA ) l’ha acquisita nel 2019, per poi venderla a UCAP Power nel 2021. Nonostante la vendita di Maxwell, il produttore di veicoli elettrici e batterie con una capitalizzazione di mercato di $817,34 miliardi ha mantenuto il suo processo di produzione di elettrodi secchi, basato sulla sua tecnologia di condensatori. Le azioni TSLA sono attualmente in calo di oltre il 37% YTD, con un prezzo di $248,80.

Poi c’è la CAP-XX, con sede in Australia, che produce supercondensatori sottili e prismatici per l’uso in dispositivi portatili consumer, elettronica commerciale e industriale, e applicazioni di energia pulita. È quotata sul mercato AIM della Borsa di Londra.

I supercondensatori di CAP-XX vantano alta densità energetica, alta tensione di cella e corrente di perdita estremamente bassa. Grazie ai loro supercondensatori, i produttori possono ridurre le dimensioni, il peso e il costo delle batterie, il numero e il costo dei componenti coinvolti, e il loro impatto ambientale.

Conclusione

Mentre le batterie hanno rubato la scena, i supercondensatori stanno guadagnando terreno diventando uno dei componenti più cruciali nell’ecosistema energetico globale. Dopo tutto, possono offrire alta efficienza, lunga durata di ciclo e consegna di potenza istantanea.

Attualmente, i supercondensatori sono complementari nel settore dell’accumulo di energia per applicazioni come elettronica di consumo, livellamento di energia rinnovabile, veicoli ibridi elettrici e alimentazione di backup, che richiedono cicli di carica-scarica rapidi e lunghi periodi operativi.

Quindi, l’adozione più ampia dei supercondensatori è ancora limitata da costi, materiali e preoccupazioni ambientali. Tuttavia, approcci come i biopolimeri a base di gomma arborea stanno affrontando queste sfide, indicando un futuro promettente per i supercondensatori. Tuttavia, la commercializzazione richiederà tempo, ma una volta accelerata, i supercondensatori potranno diventare mainstream e svolgere un ruolo chiave nei sistemi energetici sostenibili.

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Studi Citati:

1. ​Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., Padil, V. V. T., Cheong, J. Y., & Yun, T. G. (2025). Supercondensatore a lunga durata con interfaccia elettrodo-elettrolita stabile resa possibile da un additivo elettrolitico biopolimero coniugato. Energy Storage Materials, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195

2. Chang, J. H., Pin, M. W., Msalilwa, L. R., Shin, S. H., Han, C., Yu, H., Chandio, Z. A., Padil, V. V. T., Kim, Y., & Cheong, J. Y. (2024). Leganti a base di gomma biowaste solubili in acqua per anodo di grafite naturale per batterie al litio. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467

3. Han, Y., Yoon, H., Cheong, J. Y., & Hwang, B. (2025). Carbonio attivato derivato da materiale organico per supercondensatore di carta di gelso ecologico. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). Ingegnerizzare l’orientamento dell’elettrocristallizzazione e l’attivazione della superficie nei supercondensatori a ioni di zinco a larga gamma di temperature. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). Ingegneria degli anioni nell’ossido di cobalto di litio per applicazioni in supercondensatori ad alte prestazioni. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7