Abstrakt
GMCC har med succes udviklet en innovativ 5000F ultrakondensator med højere energitæthed (>10 Wh/kg) i standardstørrelse 60138, som kan tilbyde høj effekttæthed, næsten øjeblikkelig opladning og afladning, høj pålidelighed, ekstrem temperaturtolerance og en levetid på over 1.000.000 opladnings- og afladningscyklusser samtidigt. GMCC 5000F-cellen kan i høj grad forbedre inertiunderstøttelsen og evnen til primærfrekvensmodulation for elnettet og forbedre ydeevnen af udstyr i netværket. Samtidig kan GMCC 5000F-cellen opfylde behovene for ekstra lavtemperatur koldstart, strømunderstøttelse, energigenvinding og ledningsstyret lavspændingsstrømforsyning til bilindustrien og andre strømforsyningsapplikationer.
Indledning
Ultrakondensatorer, som en yderst pålidelig strømkilde, der leverer høj strøm på kort tid, har tiltrukket sig stigende opmærksomhed i dag. Med den stadig mere globale elektrificering er der gjort en enorm indsats for at forbedre energi- og effekttætheden, kvaliteten, sikkerheden og reducere omkostningerne ved energilagringsenheder. Ultrakondensatorer accepteres i stigende grad som energilagringssystemer, der muliggør bilapplikationer såsom avanceret køreassistent (ADAS), innovative affjedrings- og krængningsstabilisatorsystemer og avancerede nødbremsesystemer (AEBS) osv. I den nærmeste fremtid, i lyset af storstilet tilslutning af ren energi til energinettet, såsom solcelleanlæg og vindkraft, forventes det, at ultrakondensatorer vil indlede en accelereret udvikling af nye strømsystemer, såsom frekvensmodulation i elnettet.
Fig. 1 GMCC 2,7V 5000F EDLC-celle
5000F ultrakondensatorteknologi
I øjeblikket er den maksimale kapacitans for en celle i superkondensatorindustrien kun 3000F, og fordi det specifikke overfladeareal af aktivt kul i de positive og negative elektroder langt fra udnyttes effektivt, er den nuværende effektive udnyttelsesgrad kun omkring 10%. Hvis energitæthedens flaskehals og begrænsningerne for ultrakondensatorer brydes, skal der foretages nogle grundlæggende innovationer og justeringer af materialestrukturen, faststof-væske-grænsefladen og det elektrokemiske system.
GMCC har udført omfattende flerdimensionel teknisk optimering, der involverer molekylær/ionisk skala, materialemikro- og nanostrukturskala, materialemikro-faststof-væske-grænsefladeskala, materialepartikelskala, udvikling af elektrokemiske systemer med høj kapacitans, cellestrukturdesign osv. For det første er kulstofmaterialernes porestruktur og overfladeegenskaber blevet grundigt analyseret og optimeret, og kulstofmaterialet er specifikt designet med en interpenetrerende hierarkisk porøs struktur (mikroporer, mesoporer og makroporer er gensidigt uhindrede). For det andet er nøgleindikatorer som ionstørrelse, ionaktivitet, solvatiseringseffekt og elektrolyttens viskositet blevet grundigt overvejet. Baseret på matchende undersøgelser af materiale/elektrolyt faststof-væske-grænsefladen udnyttes det specifikke overfladeareal af aktivt kul fuldt ud, og mængden og evnen til at adsorbere overfladeladning forbedres betydeligt. For det tredje er den specielle separator lavet af kompositfibermateriale og har egenskaber som høj styrke, høj porøsitet og høj væskeabsorptionsevne. Derefter anvendes den ikke-forurenende tørelektrodeproces for at forbedre elektrodens komprimeringstæthed betydeligt. Samtidig giver det også cellen bedre vibrationsmodstand og levetid, og den adhæsive fibroseproces klæber til og snor sig på overfladen af materialepartiklerne for at danne en "bur"-struktur, hvilket letter adsorptionen af elektrolytten og transmissionen af ioner. Endelig anvender GMCC all-tab, all-laser svejseteknologiprocessen, og den opnåede celle er en metallurgisk hårdt forbundet struktur med lav ohmsk kontaktmodstand og fremragende vibrationsmodstand, som opfylder kravene i AECQ200-standarden for bilindustrien.
| ELEKTRISKE SPECIFIKATIONER | |
| Ttypo | C60W-2R7-5000 |
| Nominel spændingVR | 2.7V |
| OverspændingVS1 | 2,85V |
| Nominel kapacitans C2 | 5000 F |
| Kapacitanstolerance3 | -0%/+20% |
| ESR2 | ≤0,25mΩ |
| LækstrømjegL4 | <9 mA |
| Selvudladningshastighed 5 | <20% |
| Maks. konstant strøm IMCC(ΔT = 15°C)6 | 136A |
| Maks. strømIMaks.7 | 3,0 tusindA |
| KortstrømjegS8 | 10,8 kA |
| Gemt EnergiØ9 | 5,1 Wh |
| EnergitæthedØd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Brugbar effekttæthedPd11 | 6,8 kW/kg |
| Matchet impedansstyrkePdMax12 | 14.2kW/kg |
Tabel 1 GMCC 2.7V 5000F EDLC-celle grundlæggende elektrisk specifikation
For at kunne specificere en ultrakondensator med en nominel spænding, skal cellen opfylde visse betingelser. En standard er blevet etableret i branchen i løbet af de seneste år. Når cellen opbevares ved den maksimale driftstemperatur (65 °C for de fleste ultrakondensatorer) og nominel spænding, skal den opnå en defineret levetid, samtidig med at den forbliver inden for de definerede kriterier for end-of-life. Levetiden er sat til 1500 timer for de fleste producenter af ultrakondensatorer, og end-of-life-kriterierne er mindre end 20 % nominelt kapacitans tab og en maksimal stigning på 100 % af den specificerede ESR-værdi. Figur 2 viser, at GMCC 5000F ultrakondensator kan opfylde disse betingelser.
Fig. 2 Udvikling af kapacitans (venstre kurve) og ESR (højre kurve) for GMCC 5000F ultrakondensator holdt ved en temperatur på 65 °C og en spænding på 2,7 V.
Fremtiden
Vi mener, at målrettede, intensive forsknings- og udviklingsaktiviteter vil gøre det muligt for os yderligere at forbedre den samlede celleydelse, især cellespændingen. Baseret på nuværende laboratorieresultater forventer vi, at det næste cellespændingsniveau vil indtræffe inden for en overskuelig fremtid. Dette vil gøre det muligt for os at øge energi- og effekttætheden af GMCC-ultrakapacitorer og dermed holde trit med tendensen mod stadigt mindre og mere kraftfulde energilagringsløsninger.
Opslagstidspunkt: 9. oktober 2023