Cуперконденсаторы: анализ технологических и маркетинговых трендов 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

1. Cуперконденсаторы: анализ технологических и
маркетинговых трендов
Алексей Стрелецкий, ДНТЭ
08 октября 2012 года

2. 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

3. Стр. 3
Сравнение технологий
промышленно выпускаемых
накопителей энергии

4. Стр. 4
Суперконденсаторы в линейке различных
источников тока
Конденсатор
Аккумулятор
Супер
конденсатор
Малое кол-во
накапливаемой
энергии (на
поверхности)
Мгновенный разряд в
миллисекундах
Большое кол-во
удельной энергии (в
объеме)
Медленный разряд в
часах
Топливные
элементы

5. 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).

6. 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

7. Стр. 7
Источники энергии: сравнение технологий
Тип
Уд.
энергия,
Вт∙ч/кг
Уд.
мощность,
Вт/кг
Cрок
службы,
заряд/разр
яд
Стоимость
за $/кВт∙ч
Стоимост
ь за $/кВт
Стоимость,
$/кВт∙ч/
циклы
Стоимост
ь,
$/кВт/
циклы
Постоянная
времени
рзаряда (RC
time), с
Температур
а 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

8. Стр. 8
Сравнение технологий накопителей энергии
Плохо
Средне
Хорошо

9. Стр. 9
Суперконденсаторы: типы технологии
Тип Описание Компании Технология Стоимост
ь, $/Ф
Уд.
Энергия,
Вт ч/кг
Уд.
мощност
ь, КВт/кг
Ресурсы,
циклы
Безопасно
сть
Симметричный с
водным
электролитом
(1-ое поколение)
электроды из угля
с 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)Nes
scap (Корея),
CapXX
(Австралия)
коммерц. с
1970-хгг.
(NEC,
Япония)
< 10 > 10
Токсичност
ь ,
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),НИ
ОКР
< 1
Максим.,
>10
Мин.,
ниже 1
кВт/кг
< 100 000
Токсичност
ь ,
горючесть
органики

10. Стр. 10
Области приложения

11. Стр. 11
Потенциальные области распространения
технологии СК на рынке
СуперконденсаторыСуперконденсаторы
мобильные телефоны, цифровые
камеры, GPS,б/п модемы, память,
DVD, ПК
мобильные телефоны, цифровые
камеры, GPS,б/п модемы, память,
DVD, ПК
Дополнительные вспомогательные
источники питания для
грузоподъемников, роботизированная
техника.
Дополнительные вспомогательные
источники питания для
грузоподъемников, роботизированная
техника.
Система
бесперебойного
питания (UPS
короткого действия)
Система
бесперебойного
питания (UPS
короткого действия)
для разгона
электротранспорта и
гибридного транспорта
за счет регенерации
энергии
для разгона
электротранспорта и
гибридного транспорта
за счет регенерации
энергии
Пуск двигателей авто-,
тракторной и
стационарной техники,
локомотивов, судов и т.д.
Пуск двигателей авто-,
тракторной и
стационарной техники,
локомотивов, судов и т.д.
Буферный
накопитель энергии
для снятия пиковых
нагрузок (подстанции
ЛЭП)
Буферный
накопитель энергии
для снятия пиковых
нагрузок (подстанции
ЛЭП)
300 - 700 Фарад
от 500 Фарад несколько Фарад
Накопители энергии в
солнечных, ветровых
и других
энергоустановках
Накопители энергии в
солнечных, ветровых
и других
энергоустановках

12. Стр. 12
http://www.elna.co.jp/en/capacitor/double_layer/pdf/features.pdf
Приложения СК (Elna corp.) : широкое
распространение при мелкосерийном производстве

13. Стр. 13
© Panasonic Corporation 2012
http://industrial.panasonic.com
Surface Mount Type series EN
Примеры распространения технологии СК на рынке:
компоненты для мобильной связи (Panasonic)

14. Стр. 14
© Panasonic Corporation 2012
http://industrial.panasonic.com
Electric Double Layer
Capacitor Module (PGB)
Примеры распространения СК на рынке: компоненты
электронные компоненты для автомобиля
(Panasonic)

15. Стр. 15
Примеры распространения технологии СК на рынке:
гибридный транспорт
«Холодный» старт
Сглаживание скачков
электроэнергии
Рекуперативное
торможение
электроэнергии, система
«idle stop and go »
© Maxwell Technologies 2012

16. Пуск двигателей автомобилей, тракторов, локомотивов,
стационарных и судовых двигателей и т.п. в в любых климатических
условиях или от разряженной АБ
Тип
ИКЭ,
кДж/В
U,
В
C,
Ф
Pmax
,
кВт
Imax.
,
A
Вес
ИКЭ,
кг
Примечания
25/14 14 255 16,3 2300 11,4 27,0 Пуск двигателей легковых
и грузовых автомобилей,
лодочных моторов, тракторов,
автобусов, комбайнов,
рефрижераторных вагонов.
40/28 28 100 39,2 2800 15,0 32,0
60/28 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

17. Стр. 17
Примеры распространения технологии СК на рынке:
альтернативная электроэнергетика
© SolRayo Ultracapacitors for Renewable Energy Storage

18. Стр. 18
Мировой рынок
суперконденсаторов

19. 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

20. 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%.

21. Стр. 21
Мировой рынок суперконденсаторов: сегменты
рынка
Источник: TechNavio Analysis 2012
Другие: прогнозируемое появление e-labels, e-packaging, e-posters и др.

22. 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%

23. Стр. 23
Ведущие компании-производители СК
Капитализа
ция
компании ,
долл
(октябрь
2012)
Публичность
компании,
регион
Электроник
а
Транспорт Энергетика Lux comments
Stage of
development
Lux take
Maxwell
Technologies
230 млн. NASDAQ:MXW
L, 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

24. 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 / Фарад
1980-ые > 2
2000 1,7
2005 0,05
2011 0,01

25. 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.

26. 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

27. Стр. 27
Суперконденсаторы: анализ
технологической цепочки и
сырьевой базы

28. Стр. 28
1. Производство
активного материала
1. Производство
активного материала
2. Нанесение
активного материала
2. Нанесение
активного материала 3. Порезка3. Порезка
4. Присоединение
контактов
4. Присоединение
контактов 5. Намотка, пропитка5. Намотка, пропитка 6. Сборка6. Сборка
Copyright (C) ELNA CO., 2012
http://www.elna.co.jp/en/capacitor/double_layer/manufacture.html#anc02
Aging,
testing
Aging,
testing
Схема технологической цепочки
)

29. 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

30. Стр. 30
Компоненты: ключевые компоненты ячейки
Текущая капитальная
стоимость
~ $0,01-$0,10/ Фарад

31. Стр. 31
Компоненты: электродные материалы
Электродные 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)

32. Стр. 32
Компоненты: электролиты
Преимущества Недостатки Распространен
ие
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

33. Технологические барьеры в развитии
суперконденсаторов
http://www.rsc.org/Membership/Networking/InterestGroups/ESEF/storage/tech
nicalroadmap.asp
Барьеры Решения Текущее состояние
Высокая стоимость
производства (за счет
высокой стоимости
органических
растворителей,
углеродного материала)
Разработать новый тип
электролитов, поиск замены
активированного угля
Замена 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

34. Российские компании в ряду
производителей СК

35. 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

36. Компания Город Технолог
ия
Приложен
ие
Уровень
производ
ства
НПО «ЭКОНД», г. Москва выпуск СК
1-го поколения
(С/КОН/С),
для пуска
ДВС 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 —
качество
электроэнергии,
гибридный
электротранспорт
Серийное
производство с
2007-8 гг.
(экспорт в США,
передача
технологии SAFT)
ЗАО «ЭЛИТ»
(«Элитех»)
г. Курск НИР и
производство
1-го и 3-го
поколений
для пуска ДВС,
качества
электроэнергии,
автомобильных
аудиосистем,
специ-
ального
применения
Серийное
производство
ООО «Технокор», г. Москва 1-е поколение
(С/КОН/С)
для пуска ДВС и
специального
Применения
(рентгеновское
оборудование)
Серийное
производство,
НИОКР с 1997 гг.
Российские производители суперконденсаторов

37. Сравнительные характеристики российской
продукции
Источник: ИК-2 презентация id 2071

38. 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.

39. 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.

40. Конденсатор – устройство для накопления заряда, состоящее из
токопроводящих 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

41. 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
/ R
Внутренне сопротивление (internal resistance, мОм) – электрическое
сопротивление конденсатора постоянному току сопротивление конденсатора
Номинальное 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
заряда
Циклический срок службы, заряд/разряд (cycles)
Приложение 1: Термины и определения

42. 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

43. Стр. 43
Приложение 2: Суперконденсаторы: типы
конструкций

44. Mazda application: i-ELOOP Operational Diagram

45. Battery with and without an Ultracapacitor