5000Fウルトラキャパシタの開発と技術

抽象的な

GMCCは、60138規格サイズでエネルギー密度が10Wh/kgを超える革新的な5000Fウルトラキャパシタの開発に成功しました。このウルトラキャパシタは、高出力密度、ほぼ瞬時の充放電、高い信頼性、極端な温度耐性、そして100万回以上の充放電サイクル寿命を同時に実現します。GMCC 5000Fセルは、電力系統の慣性サポートと一次周波数変調能力を大幅に向上させ、ネットワーク内の機器の性能を改善します。また、GMCC 5000Fセルは、自動車などの電力用途における補助的な低温始動、電力サポート、エネルギー回生、有線制御の低電圧電源供給にも対応可能です。

導入

ウルトラキャパシタ短時間で大電流を供給できる高信頼性電源として、ウルトラキャパシタは近年ますます注目を集めています。世界的な電化の進展に伴い、エネルギー貯蔵装置のエネルギー密度、電力密度、品質、安全性の向上、コスト削減に向けた多大な努力がなされてきました。ウルトラキャパシタは、先進運転支援システム(ADAS)、革新的なサスペンションおよびアンチロールバーシステム、先進緊急ブレーキシステム(AEBS)などの自動車用途を可能にするエネルギー貯蔵システムとして、ますます広く受け入れられています。近い将来、太陽光発電や風力発電などのクリーンエネルギーの大規模な電力網接続に直面する中で、ウルトラキャパシタは電力網周波数変調などの新しい電力システムの急速な発展をもたらすと期待されています。

ウルトラキャパシタ

図1 GMCC 2.7V 5000F EDLCセル

5000Fウルトラキャパシタ技術

現在、スーパーキャパシタ業界におけるセルの最大容量はわずか3000Fであり、正極および負極の活性炭の比表面積が十分に活用されていないため、現在の有効利用率は約10%に過ぎません。スーパーキャパシタのエネルギー密度のボトルネックと限界を打破するには、材料構造、固液界面、電気化学システムなど、根本的な革新と調整が必要となります。

GMCCは、分子/イオン スケール、材料のマイクロおよびナノ構造スケール、材料のマイクロ固体-液体界面スケール、材料の粒子スケール、高容量電気化学システムの開発、セル構造設計などを含む多次元総合技術最適化を実施しました。まず、炭素材料の細孔構造と表面特性を詳細に分析して最適化し、炭素材料を相互貫入階層的多孔質構造(ミクロ孔、メソ孔、マクロ孔が互いに妨げられない)で特別に設計しました。次に、イオンサイズ、イオン活性、溶媒和効果、電解質の粘度などの重要な指標を総合的に考慮しました。材料/電解質固体-液体界面のマッチング研究に基づいて、活性炭の比表面積を最大限に活用し、表面吸着電荷の量と能力を大幅に向上させました。第三に、特殊セパレータは複合繊維材料で作られており、高強度、高多孔性、高液体吸収能力の特性を備えています。続いて、無公害の乾式電極プロセスを採用することで、電極の緻密密度を大幅に向上させています。同時に、このプロセスにより、セルの耐振動性と寿命性能が向上し、接着繊維化プロセスによって材料粒子の表面に付着・巻き付いて「ケージ」構造を形成することで、電解質の吸着とイオンの伝達が促進されます。最後に、GMCCは全タブ・全レーザー溶接技術を採用し、得られたセルは、低オーム接触抵抗と優れた耐振動性を備えた冶金的に強固に接続された構造となり、自動車グレードのAECQ200規格の要件を満たしています。

電気仕様
Tタイプ C60W-2R7-5000
定格電圧VR

2.7V

サージ電圧VS1

2.85V

定格容量C2

5000 F

静電容量許容誤差3

-0%/+20%

ESR2 0.25
漏洩電流L4

<9 mA

自己退院率 5

20%未満

最大定電流 IMCC(ΔT = 15°C)6 136A
最大電流Iマックス7 3.0kA
短絡電流S8 10.8 kA
保存済み エネルギーE9 5.1Wh
エネルギー密度Ed 10 9.9 Wh/kg
使用可能な電力密度Pd11 6.8 kW/kg
インピーダンス整合電力PdMax12

14.2kW/kg

表1 GMCC 2.7V 5000F EDLCセル基本電気仕様

定格電圧を持つウルトラキャパシタを指定するには、セルが特定の条件を満たす必要があります。業界では、ここ数年で標準が確立されています。最大動作温度(ほとんどのウルトラキャパシタでは65℃)と定格電圧で保持した場合、セルは規定の寿命を達成しつつ、規定の寿命終了基準を満たす必要があります。ほとんどのウルトラキャパシタメーカーでは、寿命は1500時間に設定されており、寿命終了基準は、公称容量損失が20%未満、かつ規定のESR値の最大増加が100%以下です。図2は、GMCC 5000Fウルトラキャパシタがこれらの条件を満たすことを示しています。

図2 65℃の温度と2.7Vの電圧に保たれたGMCC 5000Fウルトラキャパシタの静電容量(左曲線)とESR(右曲線)の変化。
図2は、65℃の温度と2.7Vの電圧に保たれたGMCC 5000Fウルトラキャパシタの静電容量(左曲線)とESR(右曲線)の変化を示しています。

図2は、65℃の温度と2.7Vの電圧に保たれたGMCC 5000Fウルトラキャパシタの静電容量(左曲線)とESR(右曲線)の変化を示しています。

未来

目標指向型の集中的な研究開発活動により、セル全体の性能、特にセル電圧をさらに向上させることができると確信しています。現在の実験結果に基づくと、近い将来、次のセル電圧レベルに到達できると予想されます。これにより、GMCCウルトラキャパシタのエネルギー密度と電力密度を高め、より小型で高出力なエネルギー貯蔵ソリューションへのトレンドに対応できるようになります。


投稿日時:2023年10月9日