Абстрактный
Компания GMCC успешно разработала инновационный ультраконденсатор 5000F с более высокой плотностью энергии (>10 Вт·ч/кг) в стандартном типоразмере 60138, который обеспечивает высокую удельную мощность, практически мгновенную зарядку и разрядку, высокую надежность, устойчивость к экстремальным температурам и срок службы более 1 000 000 циклов зарядки-разрядки. Элемент GMCC 5000F значительно повышает инерционную поддержку и способность к первичной частотной модуляции в электросети, а также улучшает характеристики оборудования в сети. Кроме того, элемент GMCC 5000F может обеспечить вспомогательный холодный запуск при низких температурах, поддержку питания, рекуперацию энергии, низковольтное питание с проводным управлением для автомобильной промышленности и других энергетических применений.
Введение
УльтраконденсаторыУльтраконденсаторы, как высоконадежные источники энергии, обеспечивающие высокий ток за короткий промежуток времени, в настоящее время привлекают все большее внимание. В условиях все более широко распространенной глобальной электрификации предпринимаются огромные усилия по повышению плотности энергии и мощности, качества, безопасности и снижению стоимости устройств хранения энергии. Ультраконденсаторы все чаще используются в качестве систем хранения энергии, что позволяет применять их в автомобильной промышленности, например, в системах помощи водителю (ADAS), инновационных системах подвески и стабилизаторах поперечной устойчивости, а также в усовершенствованных системах экстренного торможения (AEBS) и т. д. В ближайшем будущем, в условиях масштабного подключения к энергосетям экологически чистой энергии, такой как фотоэлектрическая и ветровая энергия, ожидается, что ультраконденсаторы обеспечат ускоренное развитие новых энергетических систем, таких как модуляция частоты в электросетях.
Рис. 1. Электрохимическая ячейка GMCC 2,7 В 5000 Ф.
Технология ультраконденсаторов 5000F
В настоящее время максимальная емкость ячейки в индустрии суперконденсаторов составляет всего 3000 Ф, и поскольку удельная площадь поверхности активированного угля в положительном и отрицательном электродах используется далеко не эффективно, текущий коэффициент эффективного использования составляет всего около 10%. Для преодоления узких мест в области плотности энергии и ограничений суперконденсаторов необходимо внести фундаментальные инновации и корректировки в структуру материала, границу раздела твердое тело-жидкость и электрохимическую систему.
Компания GMCC провела многомерную комплексную техническую оптимизацию, охватывающую молекулярный/ионный масштаб, микро- и наноструктуру материалов, микромасштаб твердожидкостной границы раздела материалов, масштаб частиц материалов, разработку высокоемкостных электрохимических систем, проектирование структуры ячеек и т. д. Во-первых, был проведен углубленный анализ и оптимизация пористой структуры и поверхностных характеристик углеродных материалов, а также специально разработана углеродная структура с взаимопроникающей иерархической пористой структурой (микропоры, мезопоры и макропоры взаимно свободны). Во-вторых, были всесторонне рассмотрены ключевые показатели, такие как размер ионов, ионная активность, эффект сольватации, вязкость электролита. На основе исследования соответствия твердожидкостной границы раздела материалов/электролита была максимально использована удельная площадь поверхности активированного угля, а также значительно улучшены количество и способность адсорбированного на поверхности заряда. В-третьих, специальный сепаратор изготовлен из композитного волокнистого материала и обладает такими характеристиками, как высокая прочность, высокая пористость и высокая способность к поглощению жидкости. Впоследствии применяется экологически чистый процесс изготовления сухих электродов, что значительно повышает плотность уплотнения электрода. Одновременно это также улучшает вибростойкость и срок службы ячейки, а процесс адгезионного волокнистого соединения обеспечивает прилипание и наматывание волокон на поверхность частиц материала, образуя «клеточную» структуру, которая облегчает адсорбцию электролита и передачу ионов. Наконец, GMCC применяет технологию сварки всех контактов лазером, и полученная ячейка представляет собой металлургическую жестко соединенную структуру с низким омическим контактным сопротивлением и превосходной вибростойкостью, соответствующую требованиям автомобильного стандарта AECQ200.
| ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ | |
| Tтип | C60W-2R7-5000 |
| Номинальное напряжениеВR | 2.7V |
| Скачок напряженияVS1 | 2.85V |
| Номинальная емкость C2 | 5000 F |
| Допуск емкости3 | -0%/+20% |
| ЭСР2 | ≤0,25мОм |
| Ток утечкияL4 | <9 mA |
| Показатель самопроизвольной выписки 5 | <20% |
| Максимальный постоянный ток IМЦК(ΔT = 15°C)6 | 136A |
| Максимальный токIМакс7 | 3,0 кA |
| Короткий токяS8 | 10,8 кА |
| Хранится ЭнергияЕ9 | 5,1 Вт·ч |
| Плотность энергииЕd 10 | 9,9 Вт·ч/кг |
| Полезная удельная мощностьPd11 | 6,8 кВт/кг |
| Мощность с согласованным импедансомPdMax12 | 14.2кВт/кг |
Табл. 1. Основные электрические характеристики элемента EDLC 2,7 В 5000 Ф.
Для того чтобы суперконденсатор соответствовал номинальному напряжению, он должен отвечать определенным условиям. В отрасли за последние годы был установлен стандарт. При максимальной рабочей температуре (65°C для большинства суперконденсаторов) и номинальном напряжении элемент должен обеспечить определенный срок службы, оставаясь в пределах установленных критериев окончания срока службы. Срок службы установлен на уровне 1500 часов для большинства производителей суперконденсаторов, а критерии окончания срока службы — это потеря емкости менее 20% от номинального значения и максимальное увеличение на 100% от указанного значения ESR. На рис. 2 показано, что суперконденсатор GMCC 5000F соответствует этим условиям.
Рис. 2. Изменение емкости (левая кривая) и эквивалентного последовательного сопротивления (правая кривая) ультраконденсатора GMCC 5000F при температуре 65 °C и напряжении 2,7 В.
Будущее
Мы считаем, что целенаправленные и интенсивные научно-исследовательские работы позволят нам еще больше улучшить общие характеристики элементов, особенно их напряжение. На основе текущих лабораторных результатов мы ожидаем, что следующий уровень напряжения элементов будет достигнут в обозримом будущем. Это позволит нам увеличить плотность энергии и мощности ультраконденсаторов GMCC и, таким образом, идти в ногу с тенденцией к созданию все более компактных и мощных решений для хранения энергии.
Дата публикации: 09.10.2023