Abstrakt
GMCC har framgångsrikt utvecklat en innovativ 5000F ultrakondensator med högre energitäthet (>10 Wh/kg) i standardstorlek 60138, som kan erbjuda hög effekttäthet, nästan omedelbar laddning och urladdning, hög tillförlitlighet, extrem temperaturtolerans och en livslängd på över 1 000 000 laddnings- och urladdningscykler samtidigt. GMCC 5000F-cellen kan avsevärt förbättra tröghetsstödet och förmågan till primärfrekvensmodulering för elnätet, och förbättra prestandan hos utrustning i nätverket. Samtidigt kan GMCC 5000F-cellen uppfylla kraven för kallstart vid låg temperatur, strömförsörjning, energiåtervinning och trådstyrd lågspänningsströmförsörjning för fordonsindustrin och andra kraftapplikationer.
Introduktion
Ultrakondensatorer, som en mycket tillförlitlig kraftkälla som ger hög ström på kort tid, har fått allt större uppmärksamhet nuförtiden. Med den alltmer globala elektrifieringen har enorma ansträngningar gjorts för att förbättra energi- och effekttätheten, kvaliteten, säkerheten och minska kostnaden för energilagringsenheter. Ultrakondensatorer accepteras alltmer som energilagringssystem som möjliggör fordonsapplikationer såsom avancerad körassistans (ADAS), innovativa fjädring- och krängningshämmare samt avancerade nödbromssystem (AEBS), etc. Inom en snar framtid, inför storskalig anslutning av ren energi till energinätet, såsom solceller och vindkraft, förväntas ultrakondensatorer inleda en accelererad utveckling av nya kraftsystem, såsom frekvensmodulering i elnätet.
Bild 1 GMCC 2,7V 5000F EDLC-cell
5000F ultrakondensatorteknik
För närvarande är cellens maximala kapacitans inom superkondensatorindustrin endast 3000F, och eftersom den specifika ytan av aktivt kol i de positiva och negativa elektroderna långt ifrån utnyttjas effektivt, är den nuvarande effektiva utnyttjandegraden endast cirka 10 %. Om energitäthetsflaskhalsen och begränsningarna hos ultrakondensatorer bryts, måste vissa grundläggande innovationer och justeringar göras av materialstrukturen, gränssnittet mellan fast och vätska och det elektrokemiska systemet.
GMCC har genomfört omfattande flerdimensionell teknisk optimering, som involverar molekylär/jonisk skala, materialmikro- och nanostrukturskala, materialmikrogränssnittsskala mellan fasta och flytande ämnen, materialpartikelskala, utveckling av högkapacitanselektrokemiska system, cellstrukturdesign etc. För det första har porstrukturen och ytegenskaperna hos kolmaterial analyserats och optimerats djupt, och kolmaterialet är specifikt utformat med en interpenetrerande hierarkisk porös struktur (mikroporer, mesoporer och makroporer är ömsesidigt fria från varandra). För det andra har viktiga indikatorer som jonstorlek, jonaktivitet, solvatiseringseffekt och elektrolytens viskositet beaktats noggrant. Baserat på matchningsstudier av material/elektrolytgränssnittet mellan fasta och flytande ämnen utnyttjas den specifika ytan av aktivt kol fullt ut, och mängden och förmågan hos ytadsorberad laddning förbättras avsevärt. För det tredje är den speciella separatorn tillverkad av kompositfibermaterial och har egenskaper som hög hållfasthet, hög porositet och hög vätskeabsorptionsförmåga. Därefter används den förorenandefria torrelektrodprocessen för att avsevärt förbättra elektrodens komprimeringsdensitet. Samtidigt ger det också cellen bättre vibrationstålighet och livslängd, och den adhesiva fibrosprocessen fäster vid och lindas på ytan av materialpartiklarna för att bilda en "bur"-struktur, vilket underlättar adsorptionen av elektrolyten och överföringen av joner. Slutligen använder GMCC hellasersvetsprocessen, och den erhållna cellen är en metallurgisk hårdkopplad struktur med låg ohmsk kontaktresistans och utmärkt vibrationstålighet, vilket uppfyller kraven i AECQ200-standarden för fordonsbruk.
| ELEKTRISKA SPECIFIKATIONER | |
| Ttyp | C60W-2R7-5000 |
| Nominell spänningVR | 2,7V |
| ÖverspänningVS1 | 2,85V |
| Nominell kapacitans C2 | 5000 F |
| Kapacitanstolerans3 | -0%/+20% |
| ESR2 | ≤0,25mΩ |
| LäckströmJagL4 | <9 mA |
| Självurladdningshastighet 5 | <20% |
| Max konstant ström IMCC(ΔT = 15°C)6 | 136A |
| MaxströmIMax7 | 3,0 tusenA |
| KortströmJagS8 | 10,8 kA |
| Lagrad EnergiE9 | 5,1 Wh |
| EnergitäthetEd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Användbar effekttäthetPd11 | 6,8 kW/kg |
| Matchad impedanseffektPdMax12 | 14.2kW/kg |
Tabell 1 GMCC 2.7V 5000F EDLC-cell grundläggande elektrisk specifikation
För att specificera en ultrakondensator med en märkspänning måste cellen uppfylla vissa villkor. En standard har etablerats inom branschen under de senaste åren. När den hålls vid maximal driftstemperatur (65 °C för de flesta ultrakondensatorer) och märkspänning måste cellen uppnå en definierad livslängd samtidigt som den håller sig inom de definierade kriterierna för slutet av livscykeln. Livslängden är satt till 1500 timmar för de flesta tillverkare av ultrakondensatorer och kriterierna för slutet av livscykeln är mindre än 20 % nominell kapacitansförlust och en maximal ökning på 100 % av det specificerade ESR-värdet. Figur 2 visar att GMCC 5000F ultrakondensator kan uppfylla dessa villkor.
Fig. 2 Kapacitansutveckling (vänster kurva) och ESR (höger kurva) för GMCC 5000F ultrakondensator hållen vid en temperatur på 65 °C och en spänning på 2,7 V.
Framtiden
Vi tror att målinriktade, intensiva FoU-aktiviteter kommer att göra det möjligt för oss att ytterligare förbättra cellens totala prestanda, särskilt cellspänningen. Baserat på aktuella laboratorieresultat förväntar vi oss att nästa cellspänningsnivå kommer att inträffa inom överskådlig framtid. Detta kommer att göra det möjligt för oss att öka energi- och effekttätheten hos GMCC-ultrakonaktorer och därmed hålla jämna steg med trenden mot allt mindre och kraftfullare energilagringslösningar.
Publiceringstid: 9 oktober 2023