Abstrakt
GMCC hat erfolgreich einen innovativen 5000F-Ultrakondensator mit hoher Energiedichte (>10 Wh/kg) im Standardformat 60138 entwickelt. Dieser bietet hohe Leistungsdichte, nahezu sofortiges Laden und Entladen, hohe Zuverlässigkeit, extreme Temperaturbeständigkeit und eine Lebensdauer von über 1.000.000 Lade-Entlade-Zyklen. Die GMCC 5000F-Zelle verbessert die Trägheitsunterstützung und die Primärfrequenzmodulation des Stromnetzes erheblich und optimiert die Leistung der Netzgeräte. Darüber hinaus eignet sie sich für Anwendungen wie Kaltstart, Notstromversorgung, Energierückgewinnung und drahtgesteuerte Niederspannungsversorgung in der Automobilindustrie und anderen Bereichen.
Einführung
UltrakondensatorenUltrakondensatoren, als äußerst zuverlässige Energiequelle, die in kurzer Zeit hohe Ströme liefert, haben in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Angesichts der fortschreitenden globalen Elektrifizierung wurden immense Anstrengungen unternommen, um die Energie- und Leistungsdichte, die Qualität und die Sicherheit von Energiespeichern zu verbessern und deren Kosten zu senken. Ultrakondensatoren werden immer häufiger als Energiespeichersysteme eingesetzt und ermöglichen so Anwendungen im Automobilbereich wie Fahrerassistenzsysteme (ADAS), innovative Federungs- und Stabilisatorsysteme sowie Notbremssysteme (AEBS). Angesichts der geplanten großflächigen Netzanbindung sauberer Energien wie Photovoltaik und Windkraft wird erwartet, dass Ultrakondensatoren in naher Zukunft die Entwicklung neuer Energiesysteme, beispielsweise der Frequenzmodulation, beschleunigen werden.
Abb. 1 GMCC 2,7 V 5000 F EDLC-Zelle
5000F Ultrakondensatortechnologie
Aktuell liegt die maximale Kapazität von Zellen in der Superkondensatorindustrie bei lediglich 3000 F. Da die spezifische Oberfläche der Aktivkohle in den positiven und negativen Elektroden bei Weitem nicht effektiv genutzt wird, beträgt der aktuelle Wirkungsgrad nur etwa 10 %. Um die Energiedichte-Beschränkungen von Ultrakondensatoren zu überwinden, sind grundlegende Innovationen und Anpassungen hinsichtlich Materialstruktur, Fest-Flüssig-Grenzfläche und elektrochemischem System erforderlich.
GMCC hat eine umfassende, mehrdimensionale technische Optimierung durchgeführt, die molekulare/ionische, mikro- und nanostrukturelle, mikrostrukturelle Fest-Flüssig-Grenzflächen- und Partikelebene, die Entwicklung hochkapazitiver elektrochemischer Systeme sowie die Zellstruktur berücksichtigt. Zunächst wurden die Porenstruktur und Oberflächeneigenschaften der Kohlenstoffmaterialien eingehend analysiert und optimiert. Das Kohlenstoffmaterial wurde speziell mit einer interpenetrierenden, hierarchischen Porenstruktur (Mikro-, Mesoporen und Makroporen sind nicht behindert) entwickelt. Anschließend wurden wichtige Indikatoren wie Ionengröße, Ionenaktivität, Solvatationseffekt und Elektrolytviskosität umfassend betrachtet. Durch die Optimierung der Material/Elektrolyt-Fest-Flüssig-Grenzfläche konnte die spezifische Oberfläche der Aktivkohle maximal genutzt und die Menge und Fähigkeit der Oberflächenadsorption deutlich verbessert werden. Der spezielle Separator besteht aus einem Faserverbundmaterial und zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Porosität und hohe Flüssigkeitsaufnahmefähigkeit aus. Abschließend wurde ein umweltfreundliches Trockenelektrodenverfahren angewendet, um die Kompaktierungsdichte der Elektrode deutlich zu erhöhen. Gleichzeitig verbessert es die Vibrationsfestigkeit und Lebensdauer der Zelle. Durch die adhäsive Fibrosebildung haften die Materialpartikel an deren Oberfläche und bilden eine käfigartige Struktur, die die Adsorption des Elektrolyten und den Ionentransport erleichtert. GMCC verwendet ein All-Laser-Schweißverfahren, wodurch eine metallurgisch fest verbundene Zelle mit niedrigem ohmschen Kontaktwiderstand und exzellenter Vibrationsfestigkeit entsteht, die die Anforderungen der Automobilnorm AECQ200 erfüllt.
| ELEKTRISCHE SPEZIFIKATIONEN | |
| TTyp | C60W-2R7-5000 |
| NennspannungVR | 2.7V |
| StoßspannungVS1 | 2,85V |
| Nennkapazität C2 | 5000 F |
| Kapazitätstoleranz3 | -0%/+20% |
| ESR2 | ≤0,25mΩ |
| LeckstromICHL4 | <9 mA |
| Selbstentladungsrate 5 | <20% |
| Maximaler Konstantstrom IMCC(ΔT = 15°C)6 | 136A |
| MaximalstromIMax7 | 3,0 kA |
| KurzschlussstromICHS8 | 10,8 kA |
| Gelagert EnergieE9 | 5,1 Wh |
| EnergiedichteEd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Nutzbare LeistungsdichtePd11 | 6,8 kW/kg |
| Angepasste ImpedanzleistungPdMax12 | 14.2kW/kg |
Tab. 1 GMCC 2,7 V 5000 F EDLC-Zelle – Grundlegende elektrische Spezifikationen
Um einen Ultrakondensator mit Nennspannung zu spezifizieren, muss die Zelle bestimmte Bedingungen erfüllen. In der Branche hat sich in den letzten Jahren ein Standard etabliert. Bei maximaler Betriebstemperatur (65 °C für die meisten Ultrakondensatoren) und Nennspannung muss die Zelle eine definierte Lebensdauer erreichen und dabei die festgelegten End-of-Life-Kriterien einhalten. Die Lebensdauer beträgt bei den meisten Ultrakondensatoren 1500 Stunden. Die End-of-Life-Kriterien sind ein Kapazitätsverlust von weniger als 20 % und ein maximaler Anstieg des spezifizierten ESR-Werts um 100 %. Abbildung 2 zeigt, dass der GMCC 5000F Ultrakondensator diese Bedingungen erfüllt.
Abb. 2 Kapazitätsentwicklung (linke Kurve) und ESR-Entwicklung (rechte Kurve) des GMCC 5000F Ultrakondensators bei einer Temperatur von 65 °C und einer Spannung von 2,7 V.
Die Zukunft
Wir sind überzeugt, dass zielgerichtete, intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten es uns ermöglichen werden, die Gesamtleistung der Zellen, insbesondere die Zellspannung, weiter zu verbessern. Basierend auf aktuellen Laborergebnissen erwarten wir, dass die nächste Stufe der Zellspannung in absehbarer Zeit erreicht wird. Dies wird es uns ermöglichen, die Energie- und Leistungsdichte von GMCC-Ultrakondensatoren zu erhöhen und somit mit dem Trend zu immer kleineren und leistungsfähigeren Energiespeicherlösungen Schritt zu halten.
Veröffentlichungsdatum: 09.10.2023