Abstrait
GMCC a développé avec succès un ultracondensateur innovant de 5 000 F, au format standard 60138, offrant une densité énergétique élevée (> 10 Wh/kg). Ce condensateur se caractérise par une forte densité de puissance, une charge et une décharge quasi instantanées, une grande fiabilité, une tolérance aux températures extrêmes et une durée de vie supérieure à 1 000 000 de cycles de charge-décharge simultanés. La cellule GMCC 5000F améliore considérablement le soutien inertiel et la capacité de modulation de fréquence primaire du réseau électrique, optimisant ainsi les performances des équipements qui y sont connectés. Elle peut également répondre aux besoins de démarrage à froid par basses températures, de soutien de puissance, de récupération d'énergie et d'alimentation basse tension commandée par câble pour l'automobile et d'autres applications.
Introduction
supercondensateursLes ultracondensateurs, sources d'énergie extrêmement fiables capables de fournir un courant élevé en un temps très court, suscitent un intérêt croissant. Face à l'électrification mondiale grandissante, d'immenses efforts sont déployés pour améliorer la densité énergétique et la puissance, la qualité et la sécurité des dispositifs de stockage d'énergie, tout en réduisant leur coût. Les ultracondensateurs sont de plus en plus utilisés comme systèmes de stockage d'énergie dans des applications automobiles telles que les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), les systèmes de suspension et de barres antiroulis innovants, et les systèmes de freinage d'urgence avancés (AEBS). Dans un avenir proche, avec le raccordement à grande échelle des réseaux électriques aux énergies propres, comme le photovoltaïque et l'éolien, les ultracondensateurs devraient accélérer le développement de nouveaux systèmes électriques, notamment la modulation de fréquence du réseau.
Fig. 1 Cellule EDLC GMCC 2,7 V 5000 F
Technologie des ultracondensateurs 5000F
À l'heure actuelle, la capacité maximale des cellules dans l'industrie des supercondensateurs n'est que de 3 000 F. De plus, comme la surface spécifique du charbon actif dans les électrodes positive et négative est loin d'être exploitée efficacement, le taux d'utilisation effectif actuel n'est que d'environ 10 %. Pour surmonter les limitations liées à la densité énergétique des supercondensateurs, des innovations et des ajustements fondamentaux doivent être apportés à la structure des matériaux, à l'interface solide-liquide et au système électrochimique.
GMCC a réalisé une optimisation technique multidimensionnelle et complète, couvrant l'échelle moléculaire/ionique, la microstructure et la nanostructure des matériaux, l'interface solide-liquide à l'échelle micrométrique, l'échelle particulaire, le développement de systèmes électrochimiques à haute capacité, la conception de la structure cellulaire, etc. Premièrement, la structure poreuse et les caractéristiques de surface des matériaux carbonés ont été analysées et optimisées en profondeur, et le matériau carboné a été spécifiquement conçu avec une structure poreuse hiérarchisée interpénétrée (micropores, mésopores et macropores interagissant librement). Deuxièmement, des indicateurs clés tels que la taille des ions, leur activité, l'effet de solvatation et la viscosité de l'électrolyte ont été pris en compte de manière exhaustive. Grâce à l'étude de l'interface solide-liquide matériau/électrolyte, la surface spécifique du charbon actif est exploitée au maximum, et la quantité et la capacité de charge adsorbée en surface sont considérablement améliorées. Troisièmement, le séparateur spécial est fabriqué à partir d'un matériau composite fibreux et présente une résistance, une porosité et une capacité d'absorption de liquide élevées. Par la suite, le procédé d'électrode sèche non polluant est adopté afin d'améliorer considérablement la densité de compactage de l'électrode. Ce procédé confère également à la cellule une meilleure résistance aux vibrations et une durée de vie accrue. Le procédé de fibrose adhésive consiste à adhérer et à s'enrouler à la surface des particules de matériau pour former une structure en « cage », facilitant ainsi l'adsorption de l'électrolyte et le transport des ions. Enfin, GMCC utilise un procédé de soudage laser intégral par languettes, et la cellule obtenue présente une structure métallurgique à connexion rigide, une faible résistance de contact ohmique et une excellente résistance aux vibrations, répondant ainsi aux exigences de la norme automobile AECQ200.
| SPÉCIFICATIONS ÉLECTRIQUES | |
| Ttype | C60W-2R7-5000 |
| Tension nominaleVR | 2.7V |
| Tension de surtensionVS1 | 2,85V |
| Capacité nominale C2 | 5000 F |
| Tolérance de capacité3 | -0%/+20% |
| ESR2 | ≤0,25mΩ |
| Courant de fuitejeL4 | <9 mA |
| Taux d'autodécharge 5 | <20% |
| Courant constant maximal IMCC(ΔT = 15°C)6 | 136A |
| Courant maximalIMax7 | 3,0 kA |
| Courant de court-circuitjeS8 | 10,8 kA |
| Stocké ÉnergieE9 | 5,1 Wh |
| Densité énergétiqueEd 10 | 9,9 Wh/kg |
| Densité de puissance utilisablePd11 | 6,8 kW/kg |
| Puissance d'impédance adaptéePdMax12 | 14.2kW/kg |
Tableau 1 : Spécifications électriques de base de la cellule EDLC GMCC 2,7 V 5000 F
Pour qu'un supercondensateur puisse être spécifié avec une tension nominale, la cellule doit répondre à certaines conditions. Une norme a été établie dans l'industrie au cours des dernières années. Maintenue à sa température de fonctionnement maximale (65 °C pour la plupart des supercondensateurs) et à sa tension nominale, la cellule doit atteindre une durée de vie définie tout en respectant les critères de fin de vie établis. La durée de vie est fixée à 1 500 heures pour la plupart des fabricants de supercondensateurs, et les critères de fin de vie sont une perte de capacité nominale inférieure à 20 % et une augmentation maximale de 100 % de la valeur ESR spécifiée. La figure 2 montre que le supercondensateur GMCC 5000F répond à ces conditions.
Fig. 2 Évolution de la capacité (courbe de gauche) et de l'ESR (courbe de droite) de l'ultracondensateur GMCC 5000F maintenu à une température de 65 °C et une tension de 2,7 V.
L'avenir
Nous sommes convaincus que des activités de R&D ciblées et intensives nous permettront d'améliorer encore les performances globales des cellules, notamment leur tension. D'après les résultats de laboratoire actuels, nous prévoyons qu'une nouvelle étape sera franchie prochainement. Ceci nous permettra d'accroître la densité d'énergie et de puissance des ultracondensateurs GMCC et ainsi de suivre la tendance vers des solutions de stockage d'énergie toujours plus compactes et performantes.
Date de publication : 9 octobre 2023