Ontwikkeling en technologie van 5000F ultracondensatoren

Abstract

GMCC heeft met succes een innovatieve 5000F-ultracondensator ontwikkeld met een hogere energiedichtheid (>10 Wh/kg) in de standaard 60138-maat. Deze ultracondensator biedt een hoge vermogensdichtheid, vrijwel direct laden en ontladen, hoge betrouwbaarheid, extreme temperatuurbestendigheid en een levensduur van meer dan 1.000.000 laad-ontlaadcycli. De GMCC 5000F-cel kan de inertieondersteuning en het vermogen tot primaire frequentiemodulatie voor het elektriciteitsnet aanzienlijk verbeteren en de prestaties van apparatuur in het netwerk optimaliseren. Daarnaast is de GMCC 5000F-cel geschikt voor hulpstart bij lage temperaturen, stroomondersteuning, energieterugwinning, draadgestuurde laagspanningsvoeding voor de automobielindustrie en andere stroomtoepassingen.

Invoering

UltracondensatorenUltracondensatoren, als zeer betrouwbare energiebron die in korte tijd een hoge stroom levert, trekken tegenwoordig steeds meer aandacht. Met de toenemende wereldwijde elektrificatie worden enorme inspanningen geleverd om de energie- en vermogensdichtheid, kwaliteit, veiligheid en kosten van energieopslagapparaten te verbeteren. Ultracondensatoren worden steeds vaker gebruikt als energieopslagsystemen voor toepassingen in de auto-industrie, zoals geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS), innovatieve ophangings- en stabilisatiesystemen en geavanceerde noodremsystemen (AEBS). In de nabije toekomst, met de grootschalige integratie van schone energiebronnen zoals zonne- en windenergie in het elektriciteitsnet, wordt verwacht dat ultracondensatoren een versnelde ontwikkeling van nieuwe energiesystemen, zoals frequentiemodulatie van het elektriciteitsnet, zullen inluiden.

Ultracondensator

Afbeelding 1 GMCC 2,7V 5000F EDLC-cel

5000F Ultracondensatortechnologie

Momenteel bedraagt ​​de maximale capaciteit van een cel in de supercondensatorindustrie slechts 3000 F. Omdat het specifieke oppervlak van actieve kool in de positieve en negatieve elektroden verre van optimaal wordt benut, is de huidige effectieve benuttingsgraad slechts ongeveer 10%. Om de beperkingen en knelpunten in energiedichtheid van ultracondensatoren te doorbreken, zijn fundamentele innovaties en aanpassingen nodig op het gebied van materiaalstructuur, vast-vloeistofgrensvlak en elektrochemisch systeem.

GMCC heeft een multidimensionale, uitgebreide technische optimalisatie uitgevoerd, waarbij onder andere de moleculaire/ionische schaal, de micro- en nanostructuur van het materiaal, de micro-vast-vloeistofgrensvlakschaal, de deeltjesschaal, de ontwikkeling van een elektrochemisch systeem met hoge capaciteit en het ontwerp van de celstructuur zijn betrokken. Ten eerste zijn de poriestructuur en oppervlaktekenmerken van koolstofmaterialen grondig geanalyseerd en geoptimaliseerd. Het koolstofmateriaal is specifiek ontworpen met een interpenetrerende hiërarchische poreuze structuur (microporiën, mesoporiën en macroporiën zijn onderling onbelemmerd). Ten tweede is er uitgebreid rekening gehouden met belangrijke indicatoren zoals iongrootte, ionactiviteit, solvatatie-effect en viscositeit van de elektrolyt. Op basis van de afstemming van het materiaal/elektrolyt-vast-vloeistofgrensvlak wordt het specifieke oppervlak van actieve kool maximaal benut en worden de hoeveelheid en het vermogen tot oppervlakte-geadsorbeerde lading aanzienlijk verbeterd. Ten derde is de speciale separator gemaakt van composietvezelmateriaal, dat de kenmerken heeft van hoge sterkte, hoge porositeit en een hoog vloeistofabsorptievermogen. Vervolgens wordt het milieuvriendelijke droge elektrodeproces toegepast om de compactheid van de elektrode aanzienlijk te verbeteren. Tegelijkertijd zorgt dit ervoor dat de cel een betere trillingsbestendigheid en levensduur heeft. Het adhesieve fibroseproces hecht zich aan het oppervlak van de materiaaldeeltjes en vormt een "kooi"-structuur, wat de adsorptie van de elektrolyt en de ionenoverdracht vergemakkelijkt. Ten slotte maakt GMCC gebruik van een volledig metab- en volledig laserlasproces, waardoor de verkregen cel een metallurgisch harde verbindingsstructuur is met een lage ohmse contactweerstand en een uitstekende trillingsbestendigheid, die voldoet aan de eisen van de automobielnorm AECQ200.

ELEKTRISCHE SPECIFICATIES
Ttype C60W-2R7-5000
Nominale spanningVR

2.7V

OverspanningVS1

2,85V

Nominale capaciteit C2

5000 F

Capaciteitstolerantie3

-0%/+20%

ESR2 0,25
LekstroomIL4

<9 mA

Zelfontslagpercentage 5

<20%

Maximale constante stroom IMCC(ΔT = 15°C)6 136A
Maximale stroomsterkteIMax7 3,0 kA
KortsluitingIS8 10,8 kA
Opgeslagen EnergieE9 5,1 Wh
EnergiedichtheidEd 10 9,9 Wh/kg
Bruikbare vermogensdichtheidPd11 6,8 kW/kg
Vermogen met aangepaste impedantiePdMax12

14.2kW/kg

Tabel 1: Basis elektrische specificaties van de GMCC 2,7V 5000F EDLC-cel

Om een ​​ultracondensator met een nominale spanning te specificeren, moet de cel aan bepaalde voorwaarden voldoen. In de loop der jaren is er een industriestandaard vastgesteld. Bij de maximale bedrijfstemperatuur (65 °C voor de meeste ultracondensatoren) en nominale spanning moet de cel een gedefinieerde levensduur bereiken en binnen de vastgestelde criteria voor het einde van de levensduur blijven. De levensduur is voor de meeste fabrikanten van ultracondensatoren vastgesteld op 1500 uur en de criteria voor het einde van de levensduur zijn een nominaal capaciteitsverlies van minder dan 20% en een maximale toename van 100% van de gespecificeerde ESR-waarde. Figuur 2 laat zien dat de GMCC 5000F ultracondensator aan deze voorwaarden voldoet.

Figuur 2. Evolutie van de capaciteit (linkercurve) en ESR (rechtercurve) van de GMCC 5000F ultracondensator bij een temperatuur van 65 °C en een spanning van 2,7 V.
Figuur 2. Evolutie van de capaciteit (linkercurve) en ESR (rechtercurve) van de GMCC 5000F ultracondensator bij een temperatuur van 65 °C en een spanning van 2,7 V.

Figuur 2. Evolutie van de capaciteit (linkercurve) en ESR (rechtercurve) van de GMCC 5000F ultracondensator bij een temperatuur van 65 °C en een spanning van 2,7 V.

De toekomst

Wij zijn ervan overtuigd dat doelgerichte, intensieve R&D-activiteiten ons in staat zullen stellen de algehele celprestaties, met name de celspanning, verder te verbeteren. Op basis van de huidige laboratoriumresultaten verwachten we dat het volgende niveau van celspanning in de nabije toekomst zal worden bereikt. Dit zal ons in staat stellen de energie- en vermogensdichtheid van GMCC-ultracondensatoren te verhogen en zo gelijke tred te houden met de trend naar steeds kleinere en krachtigere energieopslagoplossingen.


Geplaatst op: 9 oktober 2023