Resumo

A GMCC desenvolveu com sucesso um ultracapacitor inovador de 5000F com densidade de energia superior a 10 Wh/kg no tamanho padrão 60138, que oferece alta densidade de potência, carga e descarga quase instantâneas, alta confiabilidade, tolerância a temperaturas extremas e uma vida útil superior a 1.000.000 ciclos de carga e descarga. A célula GMCC 5000F pode aumentar significativamente o suporte de inércia e a capacidade de modulação de frequência primária da rede elétrica, melhorando o desempenho dos equipamentos conectados à rede. Além disso, a célula GMCC 5000F atende às necessidades de partida a frio em baixas temperaturas, suporte de energia, recuperação de energia e alimentação de baixa tensão controlada por fio para aplicações automotivas e outras aplicações de energia.

Introdução

UltracapacitoresOs ultracapacitores, como fonte de energia altamente confiável que fornece alta corrente em um curto período de tempo, têm atraído crescente atenção nos últimos tempos. Com a eletrificação global cada vez maior, imensos esforços têm sido feitos para melhorar a densidade de energia e potência, a qualidade, a segurança e reduzir o custo dos dispositivos de armazenamento de energia. Os ultracapacitores são cada vez mais aceitos como sistemas de armazenamento de energia que viabilizam aplicações automotivas, como sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS), sistemas inovadores de suspensão e barras estabilizadoras, e sistemas avançados de frenagem de emergência (AEBS), entre outros. Num futuro próximo, diante da conexão em larga escala de energias limpas, como a fotovoltaica e a eólica, à rede elétrica, espera-se que os ultracapacitores impulsionem o desenvolvimento acelerado de novos sistemas de energia, como a modulação de frequência da rede elétrica.

Figura 1. Célula EDLC GMCC 2.7V 5000F

Tecnologia de ultracapacitor 5000F

Atualmente, a capacitância máxima da célula na indústria de supercapacitores é de apenas 3000F e, como a área superficial específica do carbono ativado nos eletrodos positivo e negativo está longe de ser efetivamente utilizada, a taxa de utilização efetiva atual é de apenas cerca de 10%. Para superar o gargalo e as limitações da densidade de energia dos supercapacitores, algumas inovações e ajustes fundamentais devem ser feitos na estrutura do material, na interface sólido-líquido e no sistema eletroquímico.

A GMCC realizou uma otimização técnica abrangente e multidimensional, envolvendo escalas moleculares/iônicas, micro e nanoestruturas de materiais, interfaces sólido-líquido em escala micrométrica, partículas de materiais, desenvolvimento de sistemas eletroquímicos de alta capacitância, projeto de estruturas de células, etc. Primeiramente, a estrutura porosa e as características da superfície dos materiais de carbono foram profundamente analisadas e otimizadas, e o material de carbono foi especificamente projetado com uma estrutura porosa hierárquica interpenetrante (microporos, mesoporos e macroporos não se obstruem mutuamente). Em segundo lugar, indicadores-chave como tamanho iônico, atividade iônica, efeito de solvatação e viscosidade do eletrólito foram considerados de forma abrangente. Com base no estudo de compatibilidade da interface sólido-líquido material/eletrólito, a área superficial específica do carvão ativado foi totalmente utilizada, e a quantidade e a capacidade de adsorção de carga na superfície foram significativamente aprimoradas. Em terceiro lugar, o separador especial é feito de material de fibra composta e possui características de alta resistência, alta porosidade e alta capacidade de absorção de líquidos. Posteriormente, o processo de eletrodo seco não poluente é adotado para melhorar significativamente a densidade de compactação do eletrodo. Ao mesmo tempo, isso também confere à célula melhor resistência à vibração e maior vida útil. O processo de fibrose adesiva adere e se enrola na superfície das partículas do material para formar uma estrutura em "gaiola", o que facilita a adsorção do eletrólito e a transmissão de íons. Finalmente, a GMCC adota o processo de soldagem a laser com todas as abas, e a célula obtida apresenta uma estrutura metalúrgica rígida com baixa resistência de contato ôhmico e excelente resistência à vibração, atendendo aos requisitos da norma automotiva AECQ200.

*ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS*
Ttipo	*C60W-2R7-5000*
Tensão nominalV_R	2.7V
Tensão de surtoV_S¹	2,85V
Capacitância nominal C²	5000 F
Tolerância de capacitância³	-0%/+20%
ESR²	≤0,25mΩ
Corrente de fugaEU_L⁴	<9 mA
Taxa de autoalta ⁵	<20%
Corrente constante máxima I_MCC(ΔT = 15°C)⁶	136A
Corrente máximaI_Máximo⁷	3,0 milA
Corrente curtaEU_S⁸	10,8 kA
Armazenado EnergiaE⁹	5,1 Wh
Densidade de energiaE_d ¹⁰	9,9 Wh/kg
Densidade de potência utilizávelP_d¹¹	6,8 kW/kg
Potência de impedância casadaP_dMax¹²	14.2kW/kg

Tabela 1. Especificações elétricas básicas da célula EDLC GMCC 2,7V 5000F.

Para especificar um ultracapacitor com uma tensão nominal, a célula deve atender a certas condições. Um padrão foi estabelecido na indústria ao longo dos últimos anos. Quando mantida na temperatura máxima de operação (65 °C para a maioria dos ultracapacitores) e na tensão nominal, a célula deve atingir uma vida útil definida, permanecendo dentro dos critérios de fim de vida definidos. A vida útil é definida em 1500 horas para a maioria dos fabricantes de ultracapacitores e os critérios de fim de vida são uma perda de capacitância nominal inferior a 20% e um aumento máximo de 100% do valor ESR especificado. A Figura 2 mostra que o ultracapacitor GMCC 5000F atende a essas condições.

Figura 2. Evolução da capacitância (curva da esquerda) e da ESR (curva da direita) do ultracapacitor GMCC 5000F mantido a uma temperatura de 65 °C e tensão de 2,7 V.

O futuro

Acreditamos que atividades intensivas de P&D, focadas em objetivos específicos, nos permitirão aprimorar ainda mais o desempenho geral das células, especialmente a tensão. Com base nos resultados atuais de laboratório, esperamos atingir o próximo nível de tensão em um futuro próximo. Isso nos permitirá aumentar a densidade de energia e potência dos ultracapacitores GMCC e, assim, acompanhar a tendência de soluções de armazenamento de energia cada vez menores e mais potentes.