Abstrakt
Spoločnosť GMCC úspešne vyvinula inovatívny ultrakondenzátor s kapacitou 5000F s vyššou energetickou hustotou (＞10 Wh/kg) v štandardnej veľkosti 60138, ktorý ponúka vysokú hustotu výkonu, takmer okamžité nabíjanie a vybíjanie, vysokú spoľahlivosť, extrémnu teplotnú toleranciu a životnosť viac ako 1 000 000 cyklov nabíjania a vybíjania súčasne. Článok GMCC 5000F dokáže výrazne zlepšiť podporu zotrvačnosti a schopnosť primárnej frekvenčnej modulácie pre elektrickú sieť a zlepšiť výkon zariadení v sieti. Článok GMCC 5000F zároveň dokáže uspokojiť potreby pomocného studeného štartu pri nízkych teplotách, podpory napájania, rekuperácie energie a káblovo riadeného nízkonapäťového napájania pre automobilové a iné energetické aplikácie.
Úvod
Ultrakondenzátory, ako vysoko spoľahlivý zdroj energie, ktorý poskytuje vysoký prúd v krátkom časovom období, v súčasnosti priťahujú čoraz väčšiu pozornosť. S rastúcou globálnou elektrifikáciou sa vynakladá obrovské úsilie na zlepšenie hustoty energie a výkonu, kvality, bezpečnosti a zníženie nákladov na zariadenia na skladovanie energie. Ultrakondenzátory sú čoraz viac akceptované ako systémy na skladovanie energie, ktoré umožňujú automobilové aplikácie, ako sú pokročilé asistenčné systémy riadenia (ADAS), inovatívne systémy odpruženia a stabilizátorov a pokročilé systémy núdzového brzdenia (AEBS) atď. V blízkej budúcnosti, vzhľadom na rozsiahle pripojenie čistej energie, ako je fotovoltaika a veterná energia, k energetickej sieti, sa očakáva, že ultrakondenzátory povedú k zrýchlenému vývoju nových energetických systémov, ako je napríklad modulácia frekvencie elektrickej siete.
Obr. 1 GMCC 2,7 V 5000 F EDLC článok
Technológia ultrakondenzátorov 5000F
V súčasnosti je maximálna kapacita článku v priemysle superkondenzátorov iba 3000 F a pretože špecifický povrch aktívneho uhlia v kladných a záporných elektródach nie je ani zďaleka efektívne využitý, súčasná efektívna miera využitia je iba okolo 10 %. Ak sa prekoná úzke hrdlo hustoty energie a obmedzenia ultrakondenzátorov, je potrebné vykonať niektoré zásadné inovácie a úpravy v materiálovej štruktúre, rozhraní tuhá látka-kvapalina a elektrochemickom systéme.
Spoločnosť GMCC vykonala viacrozmernú komplexnú technickú optimalizáciu, ktorá zahŕňala molekulárnu/iónovú mierku, mierku materiálových mikro a nano štruktúr, mierku rozhrania pevná látka-kvapalina v mikro štruktúre materiálu, mierku materiálových častíc, vývoj elektrochemických systémov s vysokou kapacitou, návrh bunkovej štruktúry atď. Po prvé, štruktúra pórov a povrchové vlastnosti uhlíkových materiálov boli dôkladne analyzované a optimalizované a uhlíkový materiál je špeciálne navrhnutý s prelínajúcou sa hierarchickou pórovitou štruktúrou (mikropóry, mezopóry a makropóry sú vzájomne neobmedzené). Po druhé, kľúčové ukazovatele, ako je veľkosť iónov, aktivita iónov, solvatačný efekt, viskozita elektrolytu, boli komplexne zvážené. Na základe štúdie porovnávania rozhrania pevná látka-kvapalina/elektrolyt sa špecifický povrch aktívneho uhlia využil v maximálnej miere a množstvo a schopnosť povrchovo adsorbovaného náboja sa výrazne zlepšili. Po tretie, špeciálny separátor je vyrobený z kompozitného vláknitého materiálu a má vlastnosti vysokej pevnosti, vysokej pórovitosti a vysokej schopnosti absorpcie kvapalín. Následne sa použil proces suchej elektródy bez znečistenia, aby sa výrazne zlepšila hustota zhutnenia elektródy. Zároveň to zvyšuje odolnosť článku voči vibráciám a predlžuje jeho životnosť. Proces adhéznej fibrózy priľne k povrchu materiálových častíc a navíja sa naň, čím vytvára „klietkovú“ štruktúru, ktorá uľahčuje adsorpciu elektrolytu a prenos iónov. Nakoniec, GMCC využíva technológiu celolaserového zvárania a výsledný článok má metalurgickú pevne spojenú štruktúru s nízkym ohmickým kontaktným odporom a vynikajúcou odolnosťou voči vibráciám, ktorá spĺňa požiadavky automobilovej normy AECQ200.
| ELEKTRICKÉ ŠPECIFIKÁCIE | |
| Ttyp | C60W-2R7-5000 |
| Menovité napätieV.R | 2,7V |
| Prepäťové napätieVS1 | 2,85V |
| Menovitá kapacita C2 | 5000 F |
| Tolerancia kapacity3 | -0 %/+20 % |
| ESR2 | ≤0,25mΩ |
| Zvodový prúdJaL4 | <9 mA |
| Miera samovybíjania 5 | <20 % |
| Maximálny konštantný prúd IMKC(Δ(T = 15 °C)6 | 136A |
| Maximálny prúdIMax7 | 3,0 tis.A |
| Krátky prúdJaS8 | 10,8 kA |
| Uložené EnergiaV9 | 5,1 Wh |
| Hustota energieVd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Využiteľná hustota výkonuPd11 | 6,8 kW/kg |
| Prispôsobený impedančný výkonPdMax12 | 14.2kW/kg |
Tab. 1 Základné elektrické špecifikácie článku GMCC 2,7 V 5000 F EDLC
Aby bolo možné špecifikovať ultrakondenzátor s menovitým napätím, článok musí spĺňať určité podmienky. V priebehu posledných rokov bol v tomto odvetví stanovený štandard. Pri maximálnej prevádzkovej teplote (65 °C pre väčšinu ultrakondenzátorov) a menovitom napätí musí článok dosiahnuť definovanú životnosť a zároveň zostať v rámci definovaných kritérií konca životnosti. Životnosť je pre väčšinu výrobcov ultrakondenzátorov stanovená na 1500 hodín a kritériá konca životnosti sú menej ako 20 % strata nominálnej kapacity a maximálne 100 % zvýšenie špecifikovanej hodnoty ESR. Obr. 2 ukazuje, že ultrakondenzátor GMCC 5000F môže tieto podmienky splniť.
Obr. 2 Vývoj kapacity (ľavá krivka) a ESR (pravá krivka) ultrakondenzátora GMCC 5000F udržiavaného pri teplote 65 °C a napätí 2,7 V.
Budúcnosť
Veríme, že cielené, intenzívne výskumné a vývojové aktivity nám umožnia ďalej zlepšovať celkový výkon článkov, najmä ich napätie. Na základe aktuálnych laboratórnych výsledkov očakávame, že ďalšia úroveň napätia článkov sa dosiahne v dohľadnej budúcnosti. To nám umožní zvýšiť hustotu energie a výkonu ultrakondenzátorov GMCC a držať krok s trendom smerom k stále menším a výkonnejším riešeniam skladovania energie.
Čas uverejnenia: 9. októbra 2023