Abstraktní
Společnost GMCC úspěšně vyvinula inovativní ultrakondenzátor 5000F s vyšší energetickou hustotou (>10 Wh/kg) ve standardní velikosti 60138, který nabízí vysokou hustotu výkonu, téměř okamžité nabíjení a vybíjení, vysokou spolehlivost, extrémní teplotní toleranci a životnost více než 1 000 000 cyklů nabíjení a vybíjení současně. Článek GMCC 5000F dokáže výrazně zlepšit podporu setrvačnosti a schopnost primární frekvenční modulace pro energetickou síť a zlepšit výkon zařízení v síti. Článek GMCC 5000F zároveň dokáže uspokojit potřeby pomocného studeného startu za nízkých teplot, podpory napájení, rekuperace energie a nízkonapěťového napájení řízeného vodiči pro automobilové a další energetické aplikace.
Zavedení
Ultrakondenzátory, jako vysoce spolehlivý zdroj energie, který poskytuje vysoký proud v krátkém časovém úseku, v dnešní době přitahují stále větší pozornost. S rostoucí globální elektrifikací bylo vynaloženo obrovské úsilí na zlepšení hustoty energie a výkonu, kvality, bezpečnosti a snížení nákladů na zařízení pro ukládání energie. Ultrakondenzátory jsou stále více akceptovány jako systémy pro ukládání energie, které umožňují automobilové aplikace, jako jsou pokročilé asistenční systémy řízení (ADAS), inovativní systémy odpružení a stabilizátorů a pokročilé systémy nouzového brzdění (AEBS) atd. V blízké budoucnosti, tváří v tvář rozsáhlému propojení čisté energie, jako je fotovoltaika a větrná energie, s energetickou sítí, se očekává, že ultrakondenzátory povedou k urychlenému vývoji nových energetických systémů, jako je modulace frekvence elektrické sítě.
Obr. 1 GMCC 2,7V 5000F EDLC článek
Technologie ultrakondenzátorů 5000F
V současné době je maximální kapacita článku v průmyslu superkondenzátorů pouze 3000 F a protože specifický povrch aktivního uhlí v kladné a záporné elektrodě není zdaleka efektivně využit, je současná efektivní míra využití pouze asi 10 %. Pokud se prolomí úzké hrdlo hustoty energie a omezení ultrakondenzátorů, je nutné provést některé zásadní inovace a úpravy materiálové struktury, rozhraní pevné látky a kapaliny a elektrochemického systému.
Společnost GMCC provedla vícerozměrnou komplexní technickou optimalizaci, zahrnující molekulární/iontové měřítko, měřítko materiálových mikro a nano struktur, měřítko rozhraní pevná látka-kapalina, měřítko materiálových částic, vývoj elektrochemických systémů s vysokou kapacitou, návrh buněčné struktury atd. Zaprvé, byla důkladně analyzována a optimalizována struktura pórů a povrchové vlastnosti uhlíkových materiálů a uhlíkový materiál je speciálně navržen s prolínající se hierarchickou porézní strukturou (mikroporézy, mezopóry a makroporézy jsou vzájemně volné). Zadruhé, byly komplexně zváženy klíčové ukazatele, jako je velikost iontů, aktivita iontů, solvatační efekt a viskozita elektrolytu. Na základě studie párování rozhraní pevná látka-kapalina/elektrolyt je plně využit specifický povrch aktivního uhlí a výrazně se zlepšilo množství a schopnost povrchově adsorbovaného náboje. Zatřetí, speciální separátor je vyroben z kompozitního vláknitého materiálu a vyznačuje se vysokou pevností, vysokou porézností a vysokou absorpční schopností kapalin. Následně byl použit neznečišťující proces suché elektrody, který výrazně zlepšil hustotu zhutnění elektrody. Zároveň to zvyšuje odolnost článku proti vibracím a prodlužuje jeho životnost. Proces adhezivní fibrózy přilne k povrchu materiálových částic a navine se na něj, čímž vytvoří „klecovou“ strukturu, která usnadňuje adsorpci elektrolytu a přenos iontů. Společnost GMCC nakonec využívá technologii celolaserového svařování a výsledný článek je metalurgicky pevně spojená struktura s nízkým ohmickým kontaktním odporem a vynikající odolností proti vibracím, která splňuje požadavky automobilové normy AECQ200.
| ELEKTRICKÉ SPECIFIKACE | |
| Ttyp | C60W-2R7-5000 |
| Jmenovité napětíPROTIR | 2,7V |
| Přepěťové napětíVS1 | 2,85V |
| Jmenovitá kapacita C2 | 5000 °F |
| Tolerance kapacity3 | -0 %/+20 % |
| ESR2 | ≤0,25mΩ |
| Svodový proudJáL4 | <9 mA |
| Rychlost samovybíjení 5 | <20 % |
| Maximální konstantní proud IMKC(Δ(T = 15 °C)6 | 136A |
| Maximální proudIMax7 | 3,0 tisícA |
| Krátký proudJáS8 | 10,8 kA |
| Uloženo EnergieE9 | 5,1 Wh |
| Hustota energieEd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Využitelná hustota výkonuPd11 | 6,8 kW/kg |
| Přizpůsobený impedanční výkonPdMax12 | 14.2kW/kg |
Tab. 1 Základní elektrické specifikace článku GMCC 2,7 V 5000 F EDLC
Aby bylo možné specifikovat ultrakondenzátor se jmenovitým napětím, musí článek splňovat určité podmínky. V průběhu posledních let byl v oboru zaveden standard. Při maximální provozní teplotě (65 °C pro většinu ultrakondenzátorů) a jmenovitém napětí musí článek dosáhnout definované životnosti a zároveň zůstat v rámci definovaných kritérií konce životnosti. Životnost je u většiny výrobců ultrakondenzátorů stanovena na 1500 hodin a kritéria konce životnosti jsou méně než 20% jmenovitá ztráta kapacity a maximální nárůst o 100 % specifikované hodnoty ESR. Obr. 2 ukazuje, že ultrakondenzátor GMCC 5000F tyto podmínky splňuje.
Obr. 2 Vývoj kapacity (levá křivka) a ESR (pravá křivka) ultrakondenzátoru GMCC 5000F udržovaného při teplotě 65 °C a napětí 2,7 V.
Budoucnost
Věříme, že cílené, intenzivní výzkumné a vývojové aktivity nám umožní dále zlepšit celkový výkon článků, zejména jejich napětí. Na základě současných laboratorních výsledků očekáváme, že další úroveň napětí článků bude dosažena v dohledné budoucnosti. To nám umožní zvýšit energetickou a výkonovou hustotu ultrakondenzátorů GMCC a držet krok s trendem stále menších a výkonnějších řešení pro ukládání energie.
Čas zveřejnění: 9. října 2023