Περίληψη
Η GMCC ανέπτυξε με επιτυχία έναν καινοτόμο υπερπυκνωτή 5000F με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα (>10 Wh/kg) σε τυπικό μέγεθος 60138, ο οποίος μπορεί να προσφέρει υψηλή πυκνότητα ισχύος, σχεδόν άμεση φόρτιση και εκφόρτιση, υψηλή αξιοπιστία, ακραία ανοχή θερμοκρασίας και διάρκεια ζωής άνω των 1.000.000 κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης ταυτόχρονα. Το κελί GMCC 5000F μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την υποστήριξη αδράνειας και την ικανότητα διαμόρφωσης κύριας συχνότητας για το ηλεκτρικό δίκτυο και να βελτιώσει την απόδοση του εξοπλισμού στο δίκτυο. Εν τω μεταξύ, το κελί GMCC 5000F μπορεί να ικανοποιήσει βοηθητικές ανάγκες εκκίνησης με κρύο κινητήρα σε χαμηλή θερμοκρασία, υποστήριξης ισχύος, ανάκτησης ενέργειας, τροφοδοσίας χαμηλής τάσης ελεγχόμενης μέσω καλωδίου για αυτοκινητοβιομηχανία και άλλες εφαρμογές ισχύος.
Εισαγωγή
Υπερπυκνωτές, ως μια εξαιρετικά αξιόπιστη πηγή ενέργειας που παρέχει υψηλό ρεύμα σε σύντομο χρονικό διάστημα, έχουν προσελκύσει ολοένα και μεγαλύτερη προσοχή στις μέρες μας. Με την ολοένα και μεγαλύτερη παγκόσμια ηλεκτροκίνηση, έχουν καταβληθεί τεράστιες προσπάθειες για τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας και ισχύος, της ποιότητας, της ασφάλειας και τη μείωση του κόστους των συσκευών αποθήκευσης ενέργειας. Οι υπερπυκνωτές γίνονται ολοένα και πιο αποδεκτοί ως συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που επιτρέπουν εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία, όπως η προηγμένη υποβοήθηση οδήγησης (ADAS), τα καινοτόμα συστήματα ανάρτησης και αντιστρεπτικής δοκού και το προηγμένο σύστημα πέδησης έκτακτης ανάγκης (AEBS) κ.λπ. Στο εγγύς μέλλον, ενόψει της μεγάλης κλίμακας σύνδεσης καθαρής ενέργειας, όπως η φωτοβολταϊκή και η αιολική ενέργεια, στο ενεργειακό δίκτυο, αναμένεται ότι οι υπερπυκνωτές θα οδηγήσουν σε επιταχυνόμενη ανάπτυξη νέων συστημάτων ισχύος, όπως η διαμόρφωση συχνότητας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας.
Σχήμα 1 Κυψέλη EDLC GMCC 2.7V 5000F
Τεχνολογία υπερπυκνωτή 5000F
Προς το παρόν, η μέγιστη χωρητικότητα του στοιχείου στη βιομηχανία υπερπυκνωτών είναι μόνο 3000F και επειδή η ειδική επιφάνεια του ενεργού άνθρακα στα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια απέχει πολύ από το να αξιοποιηθεί αποτελεσματικά, ο τρέχων αποτελεσματικός ρυθμός αξιοποίησης είναι μόνο περίπου 10%. Εάν η συμφόρηση ενεργειακής πυκνότητας και οι περιορισμοί των υπερπυκνωτών παραβιαστούν, πρέπει να γίνουν ορισμένες θεμελιώδεις καινοτομίες και προσαρμογές από τη δομή του υλικού, τη διεπαφή στερεού-υγρού και το ηλεκτροχημικό σύστημα.
Το GMCC έχει πραγματοποιήσει πολυδιάστατη ολοκληρωμένη τεχνική βελτιστοποίηση, που περιλαμβάνει μοριακή/ιοντική κλίμακα, κλίμακα μικρο- και νανο-δομής υλικού, κλίμακα διεπαφής μικρο-στερεού-υγρού υλικού, κλίμακα σωματιδίων υλικού, ανάπτυξη ηλεκτροχημικού συστήματος υψηλής χωρητικότητας, σχεδιασμό δομής κυψελών κ.λπ. Πρώτον, η δομή των πόρων και τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας των υλικών άνθρακα έχουν αναλυθεί και βελτιστοποιηθεί σε βάθος και το υλικό άνθρακα έχει σχεδιαστεί ειδικά με μια αλληλοδιεισδυτική ιεραρχική πορώδη δομή (οι μικροπόροι, οι μεσοπόροι και οι μακροπόροι είναι αμοιβαία ανεμπόδιστοι). Δεύτερον, έχουν ληφθεί πλήρως υπόψη βασικοί δείκτες όπως το μέγεθος των ιόντων, η δραστικότητα των ιόντων, το φαινόμενο διαλυτοποίησης, το ιξώδες του ηλεκτρολύτη. Με βάση τη μελέτη αντιστοίχισης της διεπαφής στερεού-υγρού υλικού/ηλεκτρολύτη, η ειδική επιφάνεια του ενεργού άνθρακα αξιοποιείται πλήρως στο μέγιστο βαθμό και η ποσότητα και η ικανότητα του επιφανειακά προσροφημένου φορτίου βελτιώνονται σημαντικά. Τρίτον, ο ειδικός διαχωριστής είναι κατασκευασμένος από σύνθετο υλικό ινών και έχει τα χαρακτηριστικά υψηλής αντοχής, υψηλού πορώδους και υψηλής ικανότητας απορρόφησης υγρών. Στη συνέχεια, υιοθετείται η μη ρυπογόνος διαδικασία ξηρού ηλεκτροδίου για να βελτιωθεί σημαντικά η πυκνότητα συμπύκνωσης του ηλεκτροδίου. Εν τω μεταξύ, βελτιώνει την αντοχή των κραδασμών και την απόδοση ζωής του κελιού, ενώ η διαδικασία ινώδους συγκόλλησης προσκολλάται και τυλίγεται στην επιφάνεια των σωματιδίων του υλικού σχηματίζοντας μια δομή "κλουβιού", η οποία διευκολύνει την προσρόφηση του ηλεκτρολύτη και τη μετάδοση ιόντων. Τέλος, η GMCC υιοθετεί την τεχνολογία συγκόλλησης με all-tab και all-laser, και το ληφθέν κελί είναι μια μεταλλουργική δομή με σκληρή σύνδεση με χαμηλή ωμική αντίσταση επαφής και εξαιρετική αντοχή σε κραδασμούς, η οποία πληροί τις απαιτήσεις του προτύπου AECQ200 για αυτοκίνητα.
| ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ | |
| Tτύπος | C60W-2R7-5000 |
| Ονομαστική τάσηVR | 2.7V |
| Τάση υπερτάσεωνVS1 | 2,85V |
| Ονομαστική χωρητικότητα C2 | 5000 Φαρενάιτ |
| Ανοχή χωρητικότητας3 | -0%/+20% |
| ΤΚΕ2 | ≤0,25mΩ |
| Ρεύμα διαρροήςεγώL4 | <9 mA |
| Ρυθμός αυτοεκφόρτισης 5 | <20% |
| Μέγιστο σταθερό ρεύμα IMCC(ΔΘερμοκρασία = 15°C)6 | 136A |
| Μέγιστο ρεύμαIΜαξ7 | 3,0 χιλιάδεςA |
| Βραχυπρόθεσμο ρεύμαεγώS8 | 10,8 kA |
| Αποθηκευμένο Ενέργειαμι9 | 5,1 Wh |
| Ενεργειακή πυκνότηταμιd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Πυκνότητα χρησιμοποιήσιμης ισχύοςPd11 | 6,8 kW/kg |
| Αντίστοιχη ισχύς σύνθετης αντίστασηςPdMax12 | 14.2kW/kg |
Πίν. 1 Βασικές ηλεκτρικές προδιαγραφές στοιχείου EDLC GMCC 2.7V 5000F
Για να προσδιοριστεί ένας υπερπυκνωτής με ονομαστική τάση, το στοιχείο πρέπει να πληροί ορισμένες προϋποθέσεις. Ένα πρότυπο έχει καθιερωθεί στη βιομηχανία τα τελευταία χρόνια. Όταν διατηρείται στη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας (65°C για τους περισσότερους υπερπυκνωτές) και ονομαστική τάση, το στοιχείο πρέπει να επιτύχει μια καθορισμένη διάρκεια ζωής, παραμένοντας παράλληλα εντός των καθορισμένων κριτηρίων τέλους ζωής. Η διάρκεια ζωής ορίζεται στις 1500 ώρες για τους περισσότερους κατασκευαστές υπερπυκνωτών και τα κριτήρια τέλους ζωής είναι λιγότερο από 20% ονομαστική απώλεια χωρητικότητας και μέγιστη αύξηση 100% της καθορισμένης τιμής ESR. Το Σχήμα 2 δείχνει ότι ο υπερπυκνωτής GMCC 5000F μπορεί να πληροί αυτές τις προϋποθέσεις.
Σχήμα 2. Εξέλιξη χωρητικότητας (αριστερή καμπύλη) και τάσης ESR (δεξιά καμπύλη) του υπερπυκνωτή GMCC 5000F σε θερμοκρασία 65 oC και τάση 2,7V.
Το Μέλλον
Πιστεύουμε ότι οι στοχευμένες, εντατικές δραστηριότητες Έρευνας και Ανάπτυξης (Ε&Α) θα μας επιτρέψουν να βελτιώσουμε περαιτέρω τη συνολική απόδοση των κυψελών, ιδίως την τάση τους. Με βάση τα τρέχοντα εργαστηριακά αποτελέσματα, αναμένουμε ότι το επόμενο επίπεδο τάσης των κυψελών θα εμφανιστεί στο άμεσο μέλλον. Αυτό θα μας επιτρέψει να αυξήσουμε την ενεργειακή πυκνότητα και την πυκνότητα ισχύος των υπερπυκνωτών GMCC και, επομένως, να συμβαδίσουμε με την τάση προς ολοένα και μικρότερες και πιο ισχυρές λύσεις αποθήκευσης ενέργειας.
Ώρα δημοσίευσης: 09 Οκτωβρίου 2023