Cуперконденсаторы: анализ технологических и маркетинговых трендов

Алексей Стрелецкий, ДНТЭ

08 октября 2012 года

Стр. 2

Содержание• Сравнение технологий промышленно выпускаемых

накопителей энергии • Области приложения• Мировой рынок суперконденсаторов• Суперконденсаторы: анализ маркетинговых трендов• Суперконденсаторы : анализ технологической цепочки и

сырьевой базы• Российские компании в ряду производителей

суперкоденсаторов• Выводы• Приложения

Стр. 3

Сравнение технологий промышленно выпускаемых

накопителей энергии

Стр. 4

Суперконденсаторы в линейке различных источников тока

Конденсатор

Аккумулятор

Суперконденсатор

Малое кол-во накапливаемой

энергии (на поверхности)

Мгновенный разряд в миллисекундах

Большое кол-во удельной энергии (в

объеме)Медленный разряд в

часах

Топливные элементы

Стр. 5

Конденсаторы vs. суперконденсаторы

Разная природа хранения заряда:• Конденсатор: заряд на электродах компенсируется зарядами диполей диэлектрика.• Суперконденсатор: заряд накпаливается за счет образования двойного электрического слоя на поверхности электрода в результате адсорбции ионов из электролитов.

Удельная емкость суперконденсатора (Ф/г) более чем в 1 000 000 раз больше емкости обычных конденсаторов (мкФ/г).

Сравнительно высокая энергоемкость суперконденсаторов позволяет использовать их в качестве дополнительного источника электрической энергии.

Время цикла разряда-заряда суперконденсатора существенно выше (секунды), чем у конденсаторов (микросекунды).

Стр. 6

Суперконденсаторы vs. аккумуляторы

У суперконденсаторов:

•высокая удельная мощность, более чем в 20 - 100 раз выше

•высокий срок службы (миллион циклов зарядов/разрядов)

•низкое внутреннее сопротивление

•широкий температурный диапазон работы конденсатора

•низкая энергоемкость

Стр. 7

Источники энергии: сравнение технологий

ТипУд. энергия, Вт∙ч/кг

Уд. мощность, Вт/кг

Cрок службы, заряд/разряд

Стоимость за $/кВт·ч

Стоимость за $/кВт

Стоимость, $/кВт·ч/ циклы

Стоимость, $/кВт/ циклы

Постоянная времени рзаряда (RC time), с

Температура работы, °С

Литий-ион аккумуляторы 100-150 100-300 < 3 000 350 - 1 000 25 - 400 0,1 - 0,3 0,03 -

0,08 >1000 -30 - + 50

Суперконденсаторы < 10 < 2 000 <1 000 000

20 000 - 2 000 000 10 - 100 0,2 - 2 < 0.0001 0.1 - 10 -40 - + 70

Традиционные конденсаторы < 0,5 > 2 000 > 1 000

000 > 1 000000 > 100 > 1000 >0.001 < 0,1 - 30 - +70

Стр. 8

Сравнение технологий накопителей энергии

Плохо

Средне

Хорошо

Стр. 9

Суперконденсаторы: типы технологии

Тип Описание Компании Технология Стоимость, $/Ф

Уд. Энергия, Вт ч/кг

Уд. мощность, КВт/кг

Ресурсы, циклы

Безопасность

Симметричный с водным

электролитом(1-ое поколение)

электроды из угляс водными растворами электролитов (КОН, H2SO4)

Эконд , Элит, Технокор (РФ)

коммерц. с 1960-х гг. (NEC, Япония)

> 0,05

Мин. > 1 Максим. < 15

> 1000 000

Водный электролит

Симметричный с органическим электролитом

(2-ое поколение)

электроды из угля с неводными растворами электролитов (этилен-карбонат, ацетонитрил и аммонийные соли Li+ и др.);

Maxwell (США), Panasonic, (Япония)Nesscap (Корея), CapXX (Австралия)

коммерц. с 1970-хгг. (NEC, Япония)

< 10 > 10

Токсичность , горючесть органики

Асимметричный с водным

электролитом(3-е поколение)

один из электродов - уголь, другой — аккумуляторный электрод (NiOOH/КOH/C, PbO2/H2SO4/С);

Элтон (РФ), Axion (США)

Нач. стадия коммерц. (ЭСМА, Россия, Axion, США)

< 0,05 < 1000 000

Водный электролит

Асимметричный конструкция с органическим электролитом (Li-ion supercapacitor)(4-ое поколение)

один из электродов активированного угля, другой — аккумуляторный (интеркаляционный тип: графит, LiMnO2,полимер)

JSR Corp., Fuji, FDK, NEC (Япония)

Нач. стадия коммерц. с середины 2000-х гг. (JM Energy, Япония),НИОКР

< 1 Максим., >10

Мин., ниже 1 кВт/кг

< 100 000

Токсичность , горючесть органики

Стр. 10

Области приложения

Стр. 11

Потенциальные области распространения технологии СК на рынке

Суперконденсаторы

мобильные телефоны, цифровые камеры, GPS,б/п модемы, память,

DVD, ПК

Дополнительные вспомогательные источники питания для

грузоподъемников, роботизированная техника.

Система бесперебойного

питания (UPS короткого действия)

для разгона электротранспорта и

гибридного транспорта за счет регенерации

энергии

Пуск двигателей авто-, тракторной и

стационарной техники, локомотивов, судов и т.д.

Буферный накопитель энергии для снятия пиковых

нагрузок (подстанции ЛЭП)

300 - 700 Фарадот 500 Фарад несколько Фарад

Накопители энергии в солнечных, ветровых и других энергоустановках

Стр. 12http://www.elna.co.jp/en/capacitor/double_layer/pdf/features.pdf

Приложения СК (Elna corp.) : широкое распространение при мелкосерийном производстве

Стр. 13

© Panasonic Corporation 2012http://industrial.panasonic.com

Surface Mount Type series EN

Примеры распространения технологии СК на рынке: компоненты для мобильной связи (Panasonic)

Стр. 14

© Panasonic Corporation 2012http://industrial.panasonic.com

Electric Double Layer Capacitor Module (PGB)

Примеры распространения СК на рынке: компоненты электронные компоненты для автомобиля

(Panasonic)

Стр. 15

Примеры распространения технологии СК на рынке: гибридный транспорт

«Холодный» старт

Сглаживание скачковэлектроэнергии

Рекуперативное торможение электроэнергии, система «idle stop and go »

© Maxwell Technologies 2012

Пуск двигателей автомобилей, тракторов, локомотивов, стационарных и судовых двигателей и т.п. в в любых климатических условиях или от разряженной АБ

ТипИКЭ,

кДжВ

U,В

C,Ф

Pmax,кВт

Imax.,A

ВесИКЭ,

кгПримечания

25/14 14 255 16,3 2300 11,4 27,0 Пуск двигателей легковыхи грузовых автомобилей, лодочных моторов, тракторов,автобусов, комбайнов, рефрижераторных вагонов.

4028 28 100 39,2 2800 15,0 32,0

6028 28 160 65,3 4600 18,7 38,0

40/64 64 23,0 93,8 2125 17,2 38,0 Пуск двигателей локомотивов,дизельных поездов.40/96 96 8,50 86,4 1300 16,2 34,0

Конденсаторная система пуска (КСП)

локомотива, рефрижераторного вагона, рельсового автобуса

Примеры распространения технологии СК на рынке: пуск двигателей («Эконд», Россия)

© Эконд 2012

Стр. 17

Примеры распространения технологии СК на рынке: альтернативная электроэнергетика

© SolRayo Ultracapacitors for Renewable Energy Storage

Стр. 18

Мировой рынок суперконденсаторов

Стр. 19

Мировой рынок суперконденсаторов: глобальный прогноз

Источник: TechNavio Analysis 2012

Мировой рынок суперконденсаторов в 2011-15 гг. в денежном выражении, млн. долл.

Ежегодный прирост на период 2011-2015 гг. составит 20,6%.

К 2015 г. прогноз объема рынка более 1,2 млрд. долларов

Стр. 20

Мировой рынок суперконденсаторов: доля в сегменте портативной электроники

Прогноз на 2019 годОценка в 2009 году

Source: IDTechEx Batteries, Supercapacitors, Alternative Storage for Portable Devices 2009-2019

Доля рынка в сегмента автономных источников тока для портативной электроники останется менее 1%.

Стр. 21

Мировой рынок суперконденсаторов: сегменты рынка

Источник: TechNavio Analysis 2012

Другие: прогнозируемое появление e-labels, e-packaging, e-posters и др.

Стр. 22

Распределение долей рынка суперконденсаторов

Источник: TechNavio Analysis, 2012

Распределение долей основных поставщиков СК по мировым компаниям

Страны-лидеры:1. США 22%2. Китай 11%3. Япония 8%4. Германия 6%… Россия < 3%

Стр. 23

Ведущие компании-производители СККапитализация компании , долл (октябрь 2012)

Публичность компании, регион

Электроника

Транспорт Энергетика Lux comments

Stage of development

Lux take

Maxwell Technologies

230 млн. NASDAQ:MXWL, США

hybrid buses, vehicles (start-stop system - e-HDI tech.)

wind turbines Scale Strong positive

Cap-XX n/a LSE: CPX, Австралия

Mobile phones, digital cameras, IC, memory

Introduction Wait and see

NEC-Tokin 354 млрд. TSE: 6701, Япония

Nippon Chemi-Con

207 млрд TSE: 6997, Япония

Cooper Bussman

12 млрд. NYSE: CBE, США

Nesscap Energy

23 млн. NCE:CA, Канада

Micro-hybrid vehicles, hybrid buses

Wind turbines, autom. meter reading

Scale Positive

Стр. 24

Текущая и прогнозируемая оценка капит. стоимости СК

Source:

Резкое понижение стоимости при масштабировании технологии

0,05 доллар за Фарад начальная стоимость при которой возможна коммерциализация технологии

Годы Доллар / Фарад1980-ые > 2

2000 1,7

2005 0,052011 0,01

Стр. 25

Рынок СК: портативная электроника

Источник: Bridging the Gap with Supercapacitors, Lux Research , 2009

Рынок СК портативной электроники в 2008-2014 гг. в денежном выражении, млн. долл.

Стр. 26

Рынок СК: транспортный и промышленный сегменты

Прогноз роста рынка СК емкостью более 5 Фарад 2008-2014 гг. в денежном выражении, млн. долл

Источник: Bridging the Gap with Supercapacitors, Lux Research , 2009

Стр. 27

Суперконденсаторы: анализ технологической цепочки и

сырьевой базы

Стр. 28

1. Производство активного материала

2. Нанесение активного материала 3. Порезка

4. Присоединение контактов 5. Намотка, пропитка 6. Сборка

Copyright (C) ELNA CO., 2012http://www.elna.co.jp/en/capacitor/double_layer/manufacture.html#anc02

Aging, testing

Схема технологической цепочки )

Стр. 29

Анализ технологической цепочки )

Nesscap Energy, Maxwell, Cap-xx, ELNA corp., Nippon Chemical

NEC Corp., Panasonic, Seiko

W.L. Gore & Associates, Inc

Novolyte, Calgon Carbon, Y-Carbon

Стр. 30

Компоненты: ключевые компоненты ячейки

Текущая капитальная стоимость~ $0,01-$0,10/ Фарад

Стр. 31

Компоненты: электродные материалыЭлектродные материалы Особенности Компании-производители Распространение

Композиты с углеродными частицами (carbon black), аэрогель

Наложение слоя углеродного материала на алюминиевую фольгу

Panasonic (Япония), NEC (Япония), Cap XX (Австралия), Элит (Россия)

Коммерчески доступны, наиболее распространены

Композиты на основе углеродных волокон (carbon cloth)

Maxwell (США)

УНТ, графены, композиты на их основе

Высокая емкость только для композитов с полимерами, оксидами металлов

MIT Nanotube Super Capacitor, Angstrom Materials (США)

На ранней стадии разработки (лабораторные образцы).

Стартапы

Смешанные оксиды металлов рутения и тантала с углеродом

Максимально высокая удельная емкость конденсатора (600 Ф/г). Высокая стоимость.

Pinnacle Research Institute (США)

Проводящие полимеры Полимеры на основе полифторфенилтиофена, высокая энергоемкость.

Los Alamos National Laboratory (США)

Покрытие изоляционным слоем (кремнием) поверхность углеродного электрода

Увеличение емкости на 60 % - 400% в зависимости от материала электрода

SolRayo (США)

Стр. 32

Компоненты: электролиты

Преимущества Недостатки Распространение

Водный р-р щелочи или кислоты

Цена, экологичность, проводимость

Низкое рабочее напряжение, низкий ресурс, размеры

Наименьшее (только в российских компания Элтон, Элеконд)

Органический Энергоемкость, габариты, ресурсы

Токсичность, меньшая мощность, нагрев

Все ведущие производители

Ионные жидкости Проводимость, наивысшая энергоемкость, негорючесть

Высокая стоимость, токсичность

На стадии НИОКР

Технологические барьеры в развитии суперконденсаторов

http://www.rsc.org/Membership/Networking/InterestGroups/ESEF/storage/technicalroadmap.asp

Барьеры Решения Текущее состояние

Высокая стоимость производства (за счет высокой стоимости органических растворителей, углеродного материала)

Разработать новый тип электролитов, поиск замены активированного угляЗамена ацетонитрила негорючими растворителями

Снижение стоимости производства углеродного материала (угольный тканный материал)

Низкая плотность энергии

Разработка гибридных суперконденсаторров, твердотельных (полимерных) суперконденсаторов.

Разработка нанопористых электродных материалов.

Коммерциализация технологии (C/NaOH/NiOOH, C/H2SO4/PbO)Прототипы на основе LiMnO2

Углеродные нанотрубки, графены - лабораторные образцы

Недостаточный срок работы при разных режимах эксплуатации

Разработка новых типов электролита (ионные жидкости).

На стадии лабораторных разработок

Российские компании в ряду производителей СК

Компания / модель

Плотность энергии, Втч/кг

Плотность мощности, кВт/кг

Электролит

Симметричные( двойной электрический слой)

Элит (12ПП-15/0,002 ) Россия 0,6 2,3 Водный

Эконд (ИКЭ-25/14) Россия 0,2 1,3

APCT (лаб. обр-ц) Украина/США 5,9 2,6 Органический

Panasonic Япония 0,5 2,3

Nesscap Корея / США 1,2 4,4

Maxwell (BMOD0063) США 2,4 3,6

Асииметрического типа (гибридные)

Элтон (ЭК502) Россия 1,9 2,1 Водный

Сравнение характеристики продукции российских производителей с мировым уровнем

Компания Город Технология

Приложение

Уровень производства

НПО «ЭКОНД», г. Москва выпуск СК1-го поколения (С/КОН/С),

для пускаДВС различных транспортных средств, включая тепkовозы

Мелкосерийное с 90-х гг. (ОАО РЖД и т.п.)

ЗАО «Элтон» («Эсма»)

г. Москва (Троицк)

НИР и производство СК 3-го поколения(NiOOH/КOH/C) для пуска ДВС

для пуска ДВС, частично —качествоэлектроэнергии, гибридный электротранспорт

Серийное производство с 2007-8 гг. (экспорт в США, передача технологии SAFT)

ЗАО «ЭЛИТ» («Элитех»)

г. Курск НИР и производство1-го и 3-го поколений

для пуска ДВС, качестваэлектроэнергии, автомобильных аудиосистем, специ-ального применения

Серийное производство

ООО «Технокор», г. Москва 1-е поколение (С/КОН/С)

для пуска ДВС и специальногоПрименения (рентгеновское оборудование)

Серийное производство, НИОКР с 1997 гг.

Российские производители суперконденсаторов

Сравнительные характеристики российской продукции

Источник: ИК-2 презентация id 2071

Стр. 38

Выводы - I

1. Суперконденсаторы в линейке накопителей электрической энергии (конденсаторы, аккумуляторы) занимают промежуточное положение. Они обладают высокой удельной мощностью (свойства конденсатора) и сравнительно высокими характеристиками удельной энергии (свойства

аккумуляторов), см. слайд 4-7.

2. Это позволяет им занимать определенную нишу в таких сегментах рынка как транспорт (запуск ДВС, рекуперация энергии), энергосбережение (сглаживание скачков энергии, UPS) потребительская электроника (резервный источник тока для устройств с малым потреблением тока) и т.д., см. слайды 11-16.

3. Рынок суперконденсаторов динамично растет с прогнозируемым ежегодным приростом в 20 %. Основные драйверы - появление гибридного транспорта, развитие «гибридных» технологий с литий-ионными аккумуляторами, новых возобновляемых источников электроэнергии, миниатюризация электроники с малым энергопотреблением.

Стр. 39

Выводы - II

4. Технология производства суперконденсаторов коммерциализирована ещ с начала 1970-ых годов (NEC Corp.). Основное производство суперконденсаторов сосредоточено в крупнейших компаниях - производителей пассивных электронных компонентов (Panasonic Electronics, NEC-Tokin, Elna, Cooper, Maxwell).

5. Принято различать четыре типа технологий суперконденсаторов: симметричная конструкция с водным или органическим электролитом и ассимметричная (гибридная) констркуция с водным или органическим электролитом . Наибольшее распространение на рынке имеет суперконденсаторы с симметричной конструкцией и органическим электролитом, благодаря их высокой энергоемкостью и ресурсными характеристиками.

6. Российская промышленность суперконденсаторов представлена следующими компаниями: НПО «Эконд», ЗАО «Элтон», ЗАО «Элит», ООО «Технокор» и их продукция занимает около 3 % от мирового.

7. У российских компаний наблюдается отставание в разработке и освоении новых типов суперконденасторов. Все R&D работы ведутся за рубежом.

Конденсатор – устройство для накопления заряда, состоящее изтокопроводящих элементов и диэлектрика между ними.

В цепи постоянного тока проводит электричество только в момент подключения конденсатора (его заряда или перезаряда).

В цепи переменного тока проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора. подключения

Область применения

Хранение электрической энергии (напр., для элементов памяти)При быстром разряде получения импульса большой мощности (напр., фотовспышка)Совместно с катушками индуктивности и/или резисторами используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами (напр., фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.)

Приложение 1: Термины и определения

Емкость конденсатора (capacity, Фарад) – cкалярная величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд, коэффициент пропорциональности между зарядом (Q) и напряжением (U) Q [Кл]=C [Ф] ∙U [В] Энергия конденсатора (energy, Вт*ч) – количество энергии, накапливаемой конденсатором. Определяется формулой E = C ∙U2 /2 Мощность конденсатора (power, Вт) - характеризует скорость передачи энергии конденсатора.Определяется формулой P = U2 / RВнутренне сопротивление (internal resistance, мОм) – электрическое  сопротивление конденсатора постоянному току  сопротивление конденсатораНоминальное напряжение (rated voltage, В) – максимальное напряжение при котором конденсатор может работать в течение минимальной наработки в условиях, указанных в нормативно-технической документации. Постоянная время разряда (RC, с) - величина, равная произведению сопротивления конденсатора на его емкость , характеризует время, которое требуется конденсатору, чтобы разрядиться до 36, 8% от начального зарядаЦиклический срок службы, заряд/разряд (cycles)

Приложение 1: Термины и определения

Характеристики применимые к суперконденсаторам и батареям

Удельную энергию (energy density, Wh/kg, Wh/L) определяют, исходя из того, что разряд происходит при напряжении ¾ Vr (близкому к действительному):E(Wh) = ½ C Vr

(3/4) / 3600

Удельная мощность (power density, W/kg):- Пиковая или мгновенная мощность (matched impedance power) – мощность при мгновенном разряде. Как правило, к.п.д. или эффективность разряда (discharge efficiency) составляет 50%, т.е. одна половина выделяемой энергии идет на электричество, другая - на теплоту. Определяется формулой Pmi = Vr

2/ 4 R

-Удельная мощность (при эфф. = 95%) – мощность при котором СК разряжается на 95%. Для электромобилей разряд СК – 75-80%. Для гибридных автомобилей – 90-95%. P (eff.=95%) = 9/16 Vr

2(1-Ef) / R, где Ef. = 0.95

Приложение 1: Термины и определения

Стр. 43

Приложение 2: Суперконденсаторы: типы конструкций

Mazda application: i-ELOOP Operational Diagram

Battery with and without an Ultracapacitor