Astratto
GMCC ha sviluppato con successo un innovativo ultracondensatore da 5000F con una densità energetica superiore (>10 Wh/kg) nel formato standard 60138, in grado di offrire contemporaneamente un'elevata densità di potenza, carica e scarica quasi istantanee, elevata affidabilità, tolleranza a temperature estreme e una durata di oltre 1.000.000 di cicli di carica-scarica. La cella GMCC da 5000F può migliorare significativamente il supporto inerziale e la capacità di modulazione della frequenza primaria per la rete elettrica, ottimizzando le prestazioni delle apparecchiature nella rete. Allo stesso tempo, la cella GMCC da 5000F può soddisfare le esigenze di avviamento a freddo a bassa temperatura, supporto di potenza, recupero di energia, alimentazione a bassa tensione controllata via cavo per applicazioni automobilistiche e altre applicazioni di potenza.
Introduzione
UltracondensatoriGli ultracondensatori, in quanto fonte di energia altamente affidabile in grado di fornire correnti elevate in tempi brevi, hanno attirato un'attenzione crescente. Con la sempre maggiore elettrificazione globale, sono stati compiuti enormi sforzi per migliorare la densità di energia e potenza, la qualità, la sicurezza e ridurre i costi dei dispositivi di accumulo di energia. Gli ultracondensatori sono sempre più accettati come sistemi di accumulo di energia che consentono applicazioni automobilistiche come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), sistemi innovativi di sospensione e barra antirollio e sistemi avanzati di frenata d'emergenza (AEBS), ecc. Nel prossimo futuro, di fronte alla connessione su larga scala alla rete elettrica di energie pulite come il fotovoltaico e l'eolico, si prevede che gli ultracondensatori daranno il via a uno sviluppo accelerato in nuovi sistemi di alimentazione, come la modulazione della frequenza della rete elettrica.
Figura 1 Cella EDLC GMCC 2,7 V 5000 F
Tecnologia degli ultracondensatori da 5000F
Attualmente, la capacità massima delle celle nel settore dei supercondensatori è di soli 3000 F e, poiché la superficie specifica del carbone attivo negli elettrodi positivo e negativo è ben lungi dall'essere utilizzata efficacemente, il tasso di utilizzo effettivo della corrente è solo del 10% circa. Per superare il collo di bottiglia e i limiti della densità energetica degli ultracondensatori, è necessario apportare alcune innovazioni e modifiche fondamentali alla struttura del materiale, all'interfaccia solido-liquido e al sistema elettrochimico.
GMCC ha effettuato un'ottimizzazione tecnica completa e multidimensionale, che ha coinvolto la scala molecolare/ionica, la scala della micro e nanostruttura del materiale, la scala dell'interfaccia solido-liquido del materiale a livello microscopico, la scala delle particelle del materiale, lo sviluppo di sistemi elettrochimici ad alta capacità, la progettazione della struttura della cella, ecc. In primo luogo, la struttura dei pori e le caratteristiche superficiali dei materiali carboniosi sono state analizzate e ottimizzate in profondità, e il materiale carbonioso è stato specificamente progettato con una struttura porosa gerarchica interpenetrante (micropori, mesopori e macropori non si ostacolano a vicenda). In secondo luogo, sono stati considerati in modo esaustivo indicatori chiave come la dimensione degli ioni, l'attività ionica, l'effetto di solvatazione e la viscosità dell'elettrolita. Sulla base dello studio di corrispondenza dell'interfaccia solido-liquido materiale/elettrolita, l'area superficiale specifica del carbone attivo è stata sfruttata al massimo, e la quantità e la capacità di carica adsorbita in superficie sono state notevolmente migliorate. In terzo luogo, il separatore speciale è realizzato in materiale fibroso composito e presenta le caratteristiche di elevata resistenza, elevata porosità ed elevata capacità di assorbimento del liquido. Successivamente, viene adottato il processo di elettrodo a secco non inquinante per migliorare notevolmente la densità di compattazione dell'elettrodo. Allo stesso tempo, questo processo conferisce alla cella una migliore resistenza alle vibrazioni e una maggiore durata. Inoltre, il processo di fibrosi adesiva aderisce e si avvolge sulla superficie delle particelle di materiale formando una struttura a "gabbia", che facilita l'adsorbimento dell'elettrolita e la trasmissione degli ioni. Infine, GMCC adotta la tecnologia di saldatura laser completa, ottenendo una cella con struttura metallurgica rigida, bassa resistenza di contatto ohmico ed eccellente resistenza alle vibrazioni, conforme ai requisiti dello standard AECQ200 per il settore automobilistico.
| SPECIFICHE ELETTRICHE | |
| Ttipo | C60W-2R7-5000 |
| Tensione nominaleVR | 2.7V |
| Tensione di piccoVS1 | 2,85V |
| Capacità nominale C2 | 5000 °F |
| Tolleranza di capacità3 | -0%/+20% |
| ESR2 | ≤0,25mΩ |
| Corrente di dispersioneIOL4 | <9 mA |
| Tasso di auto-dimissioni 5 | <20% |
| Corrente costante massima IMCC(ΔT = 15°C)6 | 136A |
| Corrente massimaIMassimo7 | 3,0 kA |
| Corrente di cortocircuitoIOS8 | 10,8 kA |
| Conservato EnergiaE9 | 5,1 Wh |
| Densità energeticaEd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Densità di potenza utilizzabilePd11 | 6,8 kW/kg |
| Potenza a impedenza adattataPdMax12 | 14.2kW/kg |
Tabella 1 Specifiche elettriche di base della cella EDLC GMCC 2.7V 5000F
Per specificare un ultracondensatore con una tensione nominale, la cella deve soddisfare determinate condizioni. Negli ultimi anni, nel settore si è affermato uno standard. Se mantenuta alla temperatura operativa massima (65 °C per la maggior parte degli ultracondensatori) e alla tensione nominale, la cella deve raggiungere una durata definita, rimanendo entro i criteri di fine vita stabiliti. La durata è fissata a 1500 ore per la maggior parte dei produttori di ultracondensatori e i criteri di fine vita prevedono una perdita di capacità nominale inferiore al 20% e un aumento massimo del 100% del valore ESR specificato. La Figura 2 mostra che l'ultracondensatore GMCC 5000F soddisfa queste condizioni.
Figura 2. Andamento della capacità (curva a sinistra) e della resistenza serie equivalente (ESR) (curva a destra) dell'ultracondensatore GMCC 5000F mantenuto a una temperatura di 65 °C e una tensione di 2,7 V.
Il futuro
Riteniamo che un'attività di ricerca e sviluppo intensiva e mirata ci consentirà di migliorare ulteriormente le prestazioni complessive delle celle, in particolare la loro tensione. Sulla base dei risultati di laboratorio attualmente disponibili, prevediamo che il prossimo livello di tensione delle celle verrà raggiunto in un futuro prossimo. Ciò ci permetterà di aumentare la densità di energia e di potenza degli ultracondensatori GMCC e quindi di rimanere al passo con la tendenza verso soluzioni di accumulo di energia sempre più piccole e potenti.
Data di pubblicazione: 9 ottobre 2023