I caricabatterie portatili sono solo un mucchio di condensatori?

Dipende da cosa si intende per caricabatterie. In realtà, gli unici "caricabatterie" che esistono sono quelli in cui si inseriscono le batterie. Alcuni prendono batterie per fotocamere o videocamere, altri per smartphone.

Tutto il resto è un alimentatore.

Cosa c'è in un caricatore portatile

Questo è un "caricatore" portatile, secondo la maggior parte delle persone. Lo si pensa in questo modo, perché, beh, è portatile (il mio qui non è esattamente tascabile, ma va bene in uno zaino o nella tasca del cappotto) e carica le tue cose.

Ma in realtà non è un caricatore. Ho un sacco di questi. Questo è fatto da Aukey e contiene una batteria agli ioni di litio da 16000mAhr. Ed è più o meno quello che fa: è una batteria. È sufficiente per circa 5 cariche del mio smartphone LG V10... naturalmente, ce ne sono anche di molto più piccole in giro.

Non è tutta la batteria - c'è qualche altra cosa. C'è un sistema di gestione dell'alimentazione, che impedisce al dispositivo di esplodere se lo si mette in cortocircuito e fornisce un'alimentazione USB "intelligente" a due prese USB di tipo A. Ciò che significa è questo. In parole povere, nel corso degli anni, diversi produttori hanno escogitato diversi modi per dire all'alimentatore USB che "ehi, voglio più potenza". Lo standard USB permette fino a 500mA da una normale porta dati USB... tu vuoi di più, se il tuo telefono può prenderlo. La gestione dell'alimentazione fornisce anche +5Vdc (per lo più), lo standard di tensione per l'USB, anche se una cella Li-ion di solito varia da ~4.1Vdc quando è completamente carica, circa 3.6Vdc la maggior parte del tempo, fino a circa 3.2Vdc o giù di lì prima che il circuito di protezione la tagli fuori per evitare che si scarichi completamente, il che danneggerebbe la batteria (questo è il motivo per cui le celle al litio arrivano sempre con una carica).

Alcuni anni fa le persone dell'USB si sono riunite e hanno creato lo standard Battery Charging, che permette 1.5A (forse un po' di più, ma la maggior parte dei cavi e dei connettori sono classificati solo per 1.8A), quindi si può caricare fino a circa 3x più velocemente. Ma i vecchi telefoni e i telefoni Apple usano una segnalazione proprietaria. Quindi una porta di alimentazione intelligente è un piccolo circuito controllato da un microcontrollore che prova un mucchio di cose, guarda cosa fa il dispositivo attaccato, e si stabilisce su ciò che pensa che fornirà più energia per il vostro dispositivo.

La porta arancione qui supporta anche la specifica QuickCharge di Qualcomm. Questo permette ad un dispositivo che conosce la ricarica rapida di "parlare" con la batteria e decidere sull'invio di una tensione maggiore. Questo deve essere un po' complicato per evitare falsi allarmi: l'invio di +9Vdc, +12Vdc, o +20Vdc ad un normale dispositivo USB potrebbe friggerlo. La ragione per cui si va a una tensione più alta è che potenza = tensione x corrente. La corrente è limitata dai fili, ma se si aumenta la tensione, si può fornire più potenza sugli stessi fili (lo stesso motivo per cui la mia Prius originale funzionava con un'alimentazione a 300V ma quella attuale funziona con un'alimentazione a 600V).

E così, ok, c'è anche un caricabatterie - per la batteria stessa. Si è capito molto tempo fa che i dispositivi USB caricano tutti la propria batteria. Questo è il motivo per cui la ricarica USB è universale... qualsiasi dispositivo USB può caricarsi da qualsiasi alimentatore USB e funziona (non sempre velocemente, ovviamente). Il caricatore di bordo del tuo telefono è stato progettato specificamente per la batteria del tuo telefono. Il caricatore nel mio power brick è stato progettato specificamente per la batteria in quel power brick. Funziona sempre.

Che mi dici dei condensatori?

Entrambe le batterie e i condensatori immagazzinano elettricità, ma c'è una differenza. Il condensatore la immagazzina come una carica elettrica. Ciò significa che i condensatori si caricano e scaricano molto velocemente. Ci sono alcuni svantaggi in questo, uno dei quali è che un condensatore mentre si scarica cambia costantemente tensione in un carico costante. Quindi sono un po' più difficili da lavorare per certi versi, più facili per altri.

Una batteria immagazzina elettricità convertendola in qualche forma di energia chimica. Nelle batterie ricaricabili (alias secondarie) come la mia Li-ion, questo è un processo reversibile. Nelle batterie primarie come le Durcell AA che potreste comprare al supermercato, il processo è a senso unico.

Perciò perché una batteria e non un mucchio di condensatori? Per lo più, è la densità di energia (Wh/L) o l'energia specifica (Wh/kg)... entrambi sono importanti per l'elettronica portatile. Quindi, per le celle Li-ion, la densità di energia specifica va da 100 a 250 Wh/kg, la densità di energia va da 250 a 620 Wh/L. Si tratta di una gamma, ci sono diverse formulazioni di batterie Li-ion (e Li-poly, un sottoinsieme).

L'ultimo supercapacitore che ho usato in un progetto era un supercapacitore in aerogel di carbonio, che potrebbe aver gestito un'energia specifica di circa 2Wh/kg (le schede tecniche non lo dicono). Piuttosto costoso, anche... apparentemente gli aerogel sono costosi da produrre. Questo significherebbe che la mia batteria dovrebbe essere 50x-125x più pesante per lo stesso immagazzinamento di energia... e mentre non ho trovato una densità di energia, gli aerogel stessi sono leggeri (infatti, come classe, il più basso peso per i solidi di volume ancora inventati), quindi il mattone di potenza sarebbe enorme!

Ma questo è probabilmente un problema temporaneo. I supercapattori in areogel di carbonio sono relativamente nuovi. Gli areogel stessi sono stati scoperti da Samuel Stephens Kistler nel 1929. Ma non è successo molto fino agli anni '70, quando i ricercatori hanno trovato un sacco di modi migliori per farli. E i supercondensatori commerciali di aerogel non hanno davvero toccato il suolo fino ai primi anni 2000, fornendo due ordini di grandezza in energia specifica rispetto ai condensatori tradizionali.

Quindi il lavoro è in corso. Una delle aree di ricerca più promettenti è ancora con il carbonio, ma con il grafene piuttosto che con l'aerogel. L'Università della California ha mostrato supercapsule con un'energia specifica di 40Wh/kg. Alcuni ricercatori privati pensano che alla fine otterranno supercapacitori a diverse volte la densità di energia delle attuali celle Li-ion. Ci sono già chip di gestione dell'energia, come l'LTC3350, che permettono di utilizzare un banco di supercapsule come una batteria in piccoli dispositivi. Quindi questo potrebbe arrivare col tempo.