Electric double layer capacitor for power application

Electric Double Layer
Capacitor (DLCAP ) for Power
Application From Nippon CC
TM
Introduzione
• Nippon Chemi-Con, fondata nel 1931, ha
continuato a sviluppare una varietà di
componenti elettronici a partire dai
condensatori elettrolitici.
• La tecnologia sviluppata da NCC consente
di offrire una capacità di 3100F@2,3V e
2400F@2,5V
Ultracondensatori
• I Double Layer Capacitor si differiscono
dagli attuali condensatori elettrolitici in
quanto la loro struttura interna è
completamente differente.
• La caratteristica principale è l’alta capacità
(Farad) e l’elevata caratteristica di carica
/scarica tali da renderli utilizzabili in aree di
lavoro proprie delle batterie.
Ultracondensatori
• I supercondensatori sono costituiti da due
elettrodi di carbone attivo ad elevata area
superficiale ( >2000m2/g), un separatore ed un
elettrolita.
• Nel doppio strato elettrodico lo spessore del
dielettrico è dell’ordine di nanometri, questo
combinato con elevatissima superficie permette
di raggiungere capacità di migliaia di Farad.
• La natura dell’elettrolita organico permette
l’utilizzo di finestre di potenziale di utilizzo di
quasi 3 volt.
Tensioni più alte con collegamenti serie
condensatore
Elettrolita
condensatore
Resistenza tra terminali e barra
Contatti interni ai terminali
1. Riduzione della tensione
reale
2. Trasformazione di parte
dell’energia in calore
3. Aumento della temperatura
interna del condensatore
Circuito di bilanciamento
• Nel processo di carica /scarica possiamo avere
una variazione di tensione dovuta alle tolleranze
delle celle e/o alla corrente di leakage.
• Questo potrebbe causare una sovra tensione o
una tensione inversa su alcune celle rendendo il
sistema non stabile
• Un circuito di bilanciamento deve essere
implementato per proteggere il modulo per
motivi di affidabilità e vita del modulo stesso
Circuito di bilanciamento
Bilanciamento passivo:
Il valore della resistenza è pari a circa 10 volte la leakage
current
Vantaggio :
Semplice e poco costoso
Svantaggio : continua dissipazione di potenza.
Bilanciamento attivo
Quando la tensione eccede Vf, viene attivato Q
e bypassa la corrente per controllare la
tensione della cella
Tensione cella > Vf Q è ON
Tensione cella < Vf Q è OFF
Vantaggi : quando la tensione della cella è < Vf allora è pilotata dal leakage
Svantaggi :è necessario un settaggio preciso poiché un’alta corrente di
bypass causa elevate perdite.
Struttura del prodotto NCC
TipoCilindrico
Tipo Prismatico
Elettrodi carbone
attivo
Separatori
Strati Carbone attivo
Foglio di
alluminio(Collettore)
Tipi di EDCL
(1)Elettodo
・ Carbone attivo
・ Fibra di Carbone
・ Nano-carbon
・ etc.,
(2)Electrolita <Organico>
Solvent PC (Propylene Carbonate)
materiale non tossico
2400F@2,5V IR=0,7mOhm
AN (Acetonitrile)
sostanza tossica
ottime prestazioni a bassa
temperatura
3000F@2,7V IR=0,3mOhm
Sali
<Acqua>
Solvent H2O
Salt
H+ , SO42-
Comparazione dei Materiali
NCC: Solvente PC (Propylene Carbonate)
Sali
Test Data -1
Self-discharge test con differenti elettroliti
100
Voltage retention [%]
DLCAPTM (PC)
95
a 20℃, 2.5V,
caricato per
24hrs
90
Test sample (AN)
85
Competitor (AN)
80
0
7
Days
14
Test Data -2
Load life test a temperature e tensioni nominali
Capacitance Change [%]
0
DLCAPTM(PC), 60℃2.5V
-5
-10
-15
Competitor A (AN), 60℃2.7V
-20
-25
Competitor B (AN), 70℃2.3V
-30
0
500
1000
1500
Tim e [h]
2000
2500
Test Data -3
Load life test con differenti elettroliti
at 60℃2.5V, φ35×50L (senza valvola)
AN
-5
-10
PC
-15
-20
-25
60
Internal resistance change [%]
Capacitance change [%]
0
50
40
AN
30
20
PC
10
0
-30
0
500
1000 1500 2000 2500
Time [h]
0
500
1000 1500
Time [h]
2000
2500
Test Data -4
deformazione del case dopo il load life test con
differenti elettroliti
a 60℃2.5V, φ35×50L (senza valvola)
1.6
AN
⊿ L-size [mm]
1.4
1.2
1.0
ΔL
dopo Load
0.8
Life Test
0.6
PC
0.4
0.2
0.0
0
500
1000 1500
Time [h]
2000
2500
Flat
Swell
Test Data -5
deformazione del case dopo load life test
a 60℃, 2.3 Ｖ
17,000h, □54×128 Ｌ 3000F
0.8mm
Con la valvola regola pressione
4.6mm
Senza valvola regola pressione
Struttura della valvola regola pressione
Usually
In operation,
air is kept
gas is released.
tightly .
Due funzioni della valvola :
1. Sicurezza--->in caso di tensione, corrente o temperatura eccessiva
la valvola si apre.
2. Regulazione---> il gas fuoriesce automaticamente quando necessario.
Temperature dependency
Variazioni della Capacità e DCIR - Load life test
2.5 Milioni cicli carica/scarica
5
200
Capacitance Change [%]
-5
150
-10
-15
100
-20
-25
50
-30
-35
0
0
1,000,000
Cycle Numbers
2,000,000
Internal Resistance Change [%]
0
Condizioni:
• tensione nominale
• temperatura ambiente
• senza ventilazione forzata
• Currente: 250A
NCC Roadmap 2008
Riassumendo:
I supercondensatori presentano caratteristiche superiori
alle batterie in quanto immagazzinano energia senza
alcuna reazione chimica.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Elevata ciclo vita >2 milioni di cicli
Benchè la densità di energia sia inferiore rispetto ad
una batteria forniscono una più alta energia in totale
grazie ad una potenza specifica superiore
Alta potenza specifica conduce a rapida ciclo di carica
con alte correnti
Elevata efficienza del ciclo carica/scarica ( 97/98% )
Non contiene metalli pesanti: ecologico
Elevata affidabilità garantita senza corto circuiti
Eccellente comportamento alle basse temperature
Praticamente senza manutenzione
Applicazioni
Produzione e R&D
Chemi-Con Yonezawa
Manufacturing Plant
DLCAP Cell
Nuova Fabbrica
2022 ㎡
Capacità produttiva:
180K pzz mese
Chemi-Con Yamagata Corp
Double Layer capacitor DEPT
DLCAP Cell Design
Roadmap produzione
800
700
600
500
kpzz/
400
mese
300
Prismatico
Cilindrico
200
100
0
2005 2006 2007 2008 2009
Anno
Grazie per
L’attenzione!