Abstrakcyjny
Firma GMCC z powodzeniem opracowała innowacyjny ultrakondensator 5000F o wyższej gęstości energii (>10 Wh/kg) w standardowym rozmiarze 60138, który oferuje wysoką gęstość mocy, niemal natychmiastowe ładowanie i rozładowywanie, wysoką niezawodność, odporność na ekstremalne temperatury oraz żywotność ponad 1 000 000 cykli ładowania i rozładowania jednocześnie. Ogniwo GMCC 5000F może znacznie poprawić wsparcie bezwładności i zdolność do pierwotnej modulacji częstotliwości w sieci elektroenergetycznej, a także poprawić wydajność urządzeń w sieci. Jednocześnie ogniwo GMCC 5000F może spełniać dodatkowe wymagania dotyczące zimnego rozruchu w niskiej temperaturze, wspomagania zasilania, odzyskiwania energii, a także zasilania niskonapięciowego sterowanego przewodowo w motoryzacji i innych zastosowaniach energetycznych.
Wstęp
Ultrakondensatory, jako wysoce niezawodne źródło zasilania zapewniające wysoki prąd w krótkim czasie, cieszą się obecnie coraz większym zainteresowaniem. Wraz z postępującą globalną elektryfikacją, podejmowane są ogromne wysiłki w celu poprawy gęstości energii i mocy, jakości, bezpieczeństwa oraz obniżenia kosztów urządzeń do magazynowania energii. Ultrakondensatory są coraz częściej stosowane jako systemy magazynowania energii, umożliwiając zastosowania w motoryzacji, takie jak zaawansowane systemy wspomagania jazdy (ADAS), innowacyjne systemy zawieszenia i stabilizatorów oraz zaawansowane systemy hamowania awaryjnego (AEBS) itp. W niedalekiej przyszłości, w obliczu szeroko zakrojonego przyłączania do sieci energetycznych czystej energii, takiej jak fotowoltaika i energia wiatrowa, oczekuje się, że ultrakondensatory zapoczątkują przyspieszony rozwój nowych systemów energetycznych, takich jak modulacja częstotliwości sieci elektroenergetycznej.
Rys. 1 Ogniwo EDLC GMCC 2,7 V 5000 F
Technologia ultrakondensatorów 5000F
Obecnie maksymalna pojemność ogniwa w branży superkondensatorów wynosi zaledwie 3000°F (3000°F), a ponieważ powierzchnia właściwa węgla aktywnego w elektrodach dodatnich i ujemnych jest nadal słabo wykorzystana, obecny efektywny wskaźnik wykorzystania wynosi zaledwie około 10%. Jeśli wąskie gardło gęstości energii i ograniczenia ultrakondensatorów zostaną przełamane, konieczne będzie wprowadzenie fundamentalnych innowacji i korekt w strukturze materiału, interfejsie ciało stałe-ciecz oraz układzie elektrochemicznym.
GMCC przeprowadził wielowymiarową, kompleksową optymalizację techniczną, obejmującą skalę molekularną/jonową, mikro- i nanostrukturę materiału, mikrostrukturę powierzchni styku ciało stałe-ciecz, skalę cząstek materiału, rozwój wysokopojemnościowych układów elektrochemicznych, projektowanie struktur komórkowych itp. Po pierwsze, struktura porów i charakterystyka powierzchni materiałów węglowych zostały dogłębnie przeanalizowane i zoptymalizowane, a materiał węglowy został specjalnie zaprojektowany z wzajemnie przenikającą się, hierarchiczną strukturą porowatą (mikropory, mezopory i makropory są wzajemnie niezakłócone). Po drugie, kluczowe wskaźniki, takie jak wielkość jonów, aktywność jonowa, efekt solwatacji i lepkość elektrolitu, zostały kompleksowo uwzględnione. W oparciu o dopasowane badanie powierzchni styku ciało stałe-ciecz materiału/elektrolitu, powierzchnia właściwa węgla aktywnego jest w pełni wykorzystana w maksymalnym stopniu, a ilość i zdolność adsorbowania ładunku powierzchniowego ulegają znacznej poprawie. Po trzecie, specjalny separator wykonany jest z kompozytowego materiału włóknistego i charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, wysoką porowatością i wysoką zdolnością absorpcji cieczy. Następnie zastosowano niezanieczyszczający proces suchej elektrody, aby znacznie poprawić gęstość zagęszczenia elektrody. Jednocześnie, zapewnia to ogniwu lepszą odporność na wibracje i dłuższą żywotność, a proces adhezyjnej fibrozy przylega i owija się na powierzchni cząstek materiału, tworząc strukturę „klatki”, która ułatwia adsorpcję elektrolitu i transmisję jonów. Ostatecznie GMCC stosuje technologię spawania laserowego w technologii all-tab, a uzyskane ogniwo jest metalurgiczną strukturą o twardych połączeniach, charakteryzującą się niską rezystancją styku omowego i doskonałą odpornością na wibracje, co spełnia wymagania normy motoryzacyjnej AECQ200.
| SPECYFIKACJE ELEKTRYCZNE | |
| Ttyp | C60W-2R7-5000 |
| Napięcie znamionoweVR | 2.7V |
| Napięcie udaroweVS1 | 2,85V |
| Pojemność znamionowa C2 | 5000 stopni Fahrenheita |
| Tolerancja pojemności3 | -0%/+20% |
| OB2 | ≤0,25mΩ |
| Prąd upływuIL4 | <9 mA |
| Współczynnik samorozładowania 5 | <20% |
| Maksymalny stały prąd IMCC(Δ(T = 15°C)6 | 136A |
| Maksymalny prądIMaksym7 | 3,0 tys.A |
| Krótki prądIS8 | 10,8 kA |
| Przechowywane Energiami9 | 5,1 Wh |
| Gęstość energiimid 10 | 9,9 Wh/kg |
| Użyteczna gęstość mocyPd11 | 6,8 kW/kg |
| Dopasowana moc impedancjiPdMax12 | 14.2kW/kg |
Tab. 1 Podstawowe parametry elektryczne ogniwa EDLC GMCC 2,7 V 5000F
Aby ultrakondensator mógł spełniać określone napięcie znamionowe, ogniwo musi spełniać określone warunki. W ostatnich latach w branży wypracowano standard. Przy zachowaniu maksymalnej temperatury pracy (65°C dla większości ultrakondensatorów) i napięcia znamionowego, ogniwo musi osiągnąć określoną żywotność, mieszcząc się w zdefiniowanych kryteriach końca okresu eksploatacji. Żywotność dla większości producentów ultrakondensatorów wynosi 1500 godzin, a kryteria końca okresu eksploatacji to mniej niż 20% nominalnej utraty pojemności i maksymalny wzrost o 100% określonej wartości ESR. Rysunek 2 pokazuje, że ultrakondensator GMCC 5000F może spełnić te warunki.
Rys. 2. Zmiany pojemności (krzywa lewa) i ESR (krzywa prawa) ultrakondensatora GMCC 5000F utrzymywanego w temperaturze 65 oC i napięciu 2,7 V.
Przyszłość
Wierzymy, że ukierunkowane na konkretny cel, intensywne prace badawczo-rozwojowe pozwolą nam na dalszą poprawę ogólnej wydajności ogniw, a zwłaszcza ich napięcia. Na podstawie aktualnych wyników laboratoryjnych spodziewamy się, że kolejny poziom napięcia ogniwa zostanie osiągnięty w dającej się przewidzieć przyszłości. Pozwoli nam to zwiększyć gęstość energii i mocy ultrakondensatorów GMCC, a tym samym dotrzymać kroku trendowi w kierunku coraz mniejszych i wydajniejszych rozwiązań magazynowania energii.
Czas publikacji: 09.10.2023