烯晶碳能成功开发5000F超级电容器单体

摘要

烯晶碳能成功研发出60138标准尺寸下具有更高能量密度(>10 Wh/kg)的5000F超级电容器,可提供高功率密度、几乎即时充放电、高可靠性、极端耐温、同时充放电循环超过100万次的使用寿命性能。5000F单体可以显著增强电网的惯性支撑和一次调频能力,提高网中设备的性能。同时,5000F单体可以满足辅助低温冷启动、电力支撑、能量回收、汽车线控低压供电等电源应用。

简介

超级电容器作为一种在短时间内提供高可靠电流的电源,越来越受到人们的关注。随着全球电气化程度的不断提高,人们在提高能量和功率密度、质量、安全性和降低储能设备成本方面做出了巨大努力。超级电容器被越来越多地接受为汽车应用的储能系统,如先进驾驶辅助系统(ADAS)、创新的主动悬架和稳定杆系统以及先进的紧急制动系统(AEBS)等。在不久的将来,面对光伏、风电等清洁能源的大规模能源并网,预计超级电容器将在电网调频等新型电力系统中迎来加速发展。

超级电容器

图1 GMCC 2.7V 5000F EDLC单体

5000F超级电容技术

目前,超级电容器行业的单体最大容量只有3000F,由于正负极活性炭的比表面积远没有得到有效利用,目前的有效利用率只有10%左右。要突破超级电容器的能量密度瓶颈和局限性,必须从材料结构、固液界面、电化学体系等方面进行根本性的创新和调整。

烯晶碳能进行了多维度的综合技术优化,涉及分子/离子尺度、材料微纳米结构尺度、材料微固液界面尺度、材料颗粒尺度、高电容电化学体系、单体结构设计等。首先,对碳材料的孔隙结构和表面特性进行了深入的分析和优化,并对碳材料进行了专门设计,使其具有互穿的分层多孔结构(微孔、中孔和大孔相互通畅)。其次,对电解液的离子大小、离子活度、溶剂化效应、粘度等关键指标进行了综合考虑。通过对材料/电解质固液界面的匹配研究,最大限度地充分利用了活性炭的比表面积,大大提高了活性炭表面吸附电荷的数量和能力。第三,特种隔膜采用复合纤维材料制成,具有高强度、高孔隙率、高吸液能力等特点。第四,采用无污染干电极工艺,大大提高了电极的压实密度。同时也使单体具有更好的抗振性和寿命性能,粘合剂纤维化过程粘附缠绕在材料颗粒表面形成“笼”状结构,有利于电解液的吸附和离子的传递。最后,GMCC采用全极耳、全激光焊接技术工艺,得到的单体是一种冶金硬连接结构,具有低欧姆接触电阻和优异的抗振动性能,满足汽车级AECQ200标准要求。

电气特性
C60W-2R7-5000
额定电压VR

2.7V

浪涌电压VS1

2.85V

额定容量C

5000F

容量公差3

-0%/+20%

直流内阻 0.25
漏电流 IL4

<9 mA

自放电率 5

<20%

最大持续工作电流 IMCCΔT = 15°C)6 136A
最大电流I最大7 3.0kA
短路电流 IS8 10.8kA
储存 能量 E 9 5.1Wh
能量密度Ed 10 9.9Wh/kg
可用功率密度Pd11 6.8 kW/kg
匹配阻抗功率PdMax 12

14.2kW/kg

图1 GMCC 2.7V 5000F EDLC单体基本电气特性

为了定义某一额定电压的超级电容器,单体必须满足某些特定条件。多年来,超级电容器行业已经建立了一个标准。当保持最高工作温度(大多数超级电容器为65℃)和额定电压下时,单体必须达到规定的寿命,同时保持在规定的寿命终止标准内。对于大多数超级电容器制造商来说,寿命设定为1500小时,寿命终止标准是容量衰减小于20%的标称电容和ESR内阻增加不超过标称内阻的100%。图2显示,5000F超级电容器可以满足这些条件。

图2, 烯晶碳能5000F超级电容器在温度为65℃,电压为2.7V时容量(左)和内阻ESR(右)得到变化。图2, 烯晶碳能5000F超级电容器在温度为65℃,电压为2.7V时容量(左)和内阻ESR(右)得到变化。
图2, 烯晶碳能5000F超级电容器在温度为65℃,电压为2.7V时容量(左)和内阻ESR(右)得到变化。

图2, 烯晶碳能5000F超级电容器在温度为65℃,电压为2.7V时容量(左)和内阻ESR(右)得到变化。

展望

我们相信,以目标为导向的密集研发活动,将使我们进一步提高超级电容器单体的整体性能,特别是电压。根据目前的实验室结果,我们预计下一个单体电压水平将在可预见的未来出现。这将使我们能够进一步提高烯晶碳能超级电容器的能量和功率密度,从而跟上更小、更强大的能量存储解决方案的趋势。


发布时间:2023年10月9日