Анотація
Компанія GMCC успішно розробила інноваційний ультраконденсатор ємністю 5000F з вищою щільністю енергії (>10 Вт·год/кг) у стандартному розмірі 60138, який може запропонувати високу щільність потужності, майже миттєву зарядку та розрядку, високу надійність, екстремальну температурну стійкість та термін служби понад 1 000 000 циклів зарядки-розрядки одночасно. Елемент GMCC 5000F може значно покращити підтримку інерції та здатність первинної частотної модуляції для енергосистеми, а також покращити продуктивність обладнання в мережі. Водночас елемент GMCC 5000F може задовольнити потреби допоміжного холодного запуску за низьких температур, підтримки живлення, рекуперації енергії, низьковольтного живлення з проводовим керуванням для автомобільних та інших енергетичних застосувань.
Вступ
Ультраконденсатори, як високонадійне джерело живлення, що забезпечує високий струм за короткий проміжок часу, привертають до себе все більшу увагу в наші дні. Зі зростанням глобальної електрифікації докладаються величезні зусилля для покращення щільності енергії та потужності, якості, безпеки та зниження вартості пристроїв накопичення енергії. Ультраконденсатори все частіше приймаються як системи накопичення енергії, що дозволяють використовувати їх у автомобільних застосуваннях, таких як вдосконалена система допомоги водієві (ADAS), інноваційні системи підвіски та стабілізації поперечної стійкості, а також вдосконалена система екстреного гальмування (AEBS) тощо. Найближчим часом, враховуючи масштабне підключення до енергетичної мережі чистої енергії, такої як фотоелектрична та вітрова енергетика, очікується, що ультраконденсатори сприятимуть прискореному розвитку нових енергетичних систем, таких як модуляція частоти енергосистеми.
Рис. 1 Елемент EDLC GMCC 2.7V 5000F
Технологія ультраконденсаторів 5000F
Наразі максимальна ємність елемента в індустрії суперконденсаторів становить лише 3000F, і оскільки питома площа поверхні активованого вугілля в позитивному та негативному електродах використовується далеко не ефективно, поточний ефективний коефіцієнт використання становить лише близько 10%. Якщо вузьке місце щільності енергії та обмеження ультраконденсаторів будуть подолані, необхідно внести деякі фундаментальні інновації та корективи в структуру матеріалу, межу твердого та рідкого станів та електрохімічну систему.
Компанія GMCC провела багатовимірну комплексну технічну оптимізацію, що включає молекулярний/іонний масштаб, мікро- та наноструктурний масштаб матеріалу, масштаб мікроструктури твердої та рідинної фази матеріалу, масштаб частинок матеріалу, розробку електрохімічних систем з високою ємністю, проектування коміркової структури тощо. По-перше, було глибоко проаналізовано та оптимізовано структуру пор та характеристики поверхні вуглецевих матеріалів, а вуглецевий матеріал спеціально розроблено з взаємопроникною ієрархічною пористою структурою (мікропори, мезопори та макропори взаємно вільні). По-друге, було всебічно враховано ключові показники, такі як розмір іонів, іонна активність, ефект сольватації, в'язкість електроліту. На основі дослідження відповідності твердофазної фази розділу матеріал/електроліт, питома площа поверхні активованого вугілля використовується максимально повно, а кількість та здатність поверхні адсорбованого заряду значно покращено. По-третє, спеціальний сепаратор виготовлений з композитного волокнистого матеріалу та має характеристики високої міцності, високої пористості та високої здатності до поглинання рідини. Згодом було застосовано екологічно чистий процес сухого електрода для значного покращення щільності ущільнення електрода. Водночас, це також покращує стійкість елемента до вібрації та збільшує термін служби, а процес адгезивної фібрози прилипає до поверхні частинок матеріалу та намотується на них, утворюючи «клітинну» структуру, що сприяє адсорбції електроліту та передачі іонів. Нарешті, GMCC використовує технологію повністю лазерного зварювання з виступами, і отриманий елемент являє собою металургійну жорстко з'єднану структуру з низьким омічним контактним опором та відмінною вібростійкістю, що відповідає вимогам автомобільного стандарту AECQ200.
| ЕЛЕКТРИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ | |
| Tтип | C60W-2R7-5000 |
| Номінальна напругаВR | 2.7V |
| Імпульсна напругаVS1 | 2.85V |
| Номінальна ємність C2 | 5000 Фаренгейтів |
| Допуск ємності3 | -0%/+20% |
| ШОЕ2 | ≤0,25мОм |
| Струм витокуЯL4 | <9 mA |
| Швидкість саморозряду 5 | <20% |
| Максимальний постійний струм IЦентр клієнтів(Δ(Т = 15°C)6 | 136A |
| Максимальний струмIМакс7 | 3,0 тис.A |
| Короткий струмЯS8 | 10,8 кА |
| Збережено ЕнергіяЕ9 | 5,1 Вт·год |
| Щільність енергіїЕd 10 | 9,9 Вт·год/кг |
| Корисна щільність потужностіPd11 | 6,8 кВт/кг |
| Узгоджена імпедансна потужністьPdMax12 | 14.2кВт/кг |
Таб. 1. Основні електричні характеристики елемента GMCC 2.7V 5000F EDLC
Щоб ультраконденсатор мав номінальну напругу, елемент повинен відповідати певним умовам. Протягом останніх років у галузі було встановлено відповідний стандарт. За умови максимальної робочої температури (65°C для більшості ультраконденсаторів) та номінальної напруги, елемент повинен досягти визначеного терміну служби, залишаючись при цьому в межах визначених критеріїв закінчення терміну служби. Термін служби встановлений на рівні 1500 годин для більшості виробників ультраконденсаторів, а критерії закінчення терміну служби - це втрати номінальної ємності менше 20% та максимальне збільшення на 100% від зазначеного значення ESR. На рис. 2 показано, що ультраконденсатор GMCC 5000F може відповідати цим умовам.
Рис. 2. Еволюція ємності (ліва крива) та ESR (права крива) ультраконденсатора GMCC 5000F, що витримувався при температурі 65 °C та напрузі 2,7 В.
Майбутнє
Ми вважаємо, що цілеспрямована, інтенсивна науково-дослідна та розробницька діяльність дозволить нам ще більше покращити загальну продуктивність елементів, особливо напругу на них. Виходячи з поточних лабораторних результатів, ми очікуємо, що наступний рівень напруги елементів досягнеться в найближчому майбутньому. Це дозволить нам збільшити щільність енергії та потужності ультраконденсаторів GMCC і таким чином йти в ногу з тенденцією до дедалі менших та потужніших рішень для накопичення енергії.
Час публікації: 09 жовтня 2023 р.