Разница между литий-ионными конденсаторами, литий-ионными батареями и суперконденсаторами

Как новый тип накопителя энергии, литий-ионный конденсатор обладает такими преимуществами, как высокая плотность мощности, высокая электростатическая емкость и длительный срок службы. Ожидается, что он будет широко использоваться в транспортных средствах на новой энергии, солнечной энергии, энергии ветра и других областях. Он работает иначе, чем литий-ионные батареи и суперконденсаторы.

1. Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор является самым быстроразвивающимся вторичным аккумулятором после никель-кадмиевого и никель-водородного аккумулятора. Активные материалы положительных и отрицательных электродов литий-ионных батарей представляют собой все соединения, которые могут быть обратимо встроены в литий и из лития, среди которых по крайней мере один электродный материал находится в литиевом состоянии перед сборкой, например оксиды переходных металлов LiCoO2, LiNiO2 и LiMn2O4 в качестве положительного электрода и различные углеродные материалы, оксиды металлов или сплавы в качестве материалов отрицательного электрода.

Принцип работы ионно-литиевой батареи показан на рисунке 1 с графитом в качестве отрицательного электрода и LiCoO2 в качестве положительного электрода. При зарядке ионы лития отделяются от материала анода и мигрируют к отрицательному электроду через электролит, управляемый градиентом электрохимического потенциала. Баланс заряда требует, чтобы равное количество электронов текло от положительного электрода к отрицательному во внешней цепи. Достигнув отрицательного электрода, ионы лития, которые получают электроны, встраиваются в решетку отрицательного материала. При разрядке процесс идет в обратном направлении, то есть ионы лития покидают решетку отрицательного электрода и встраивают положительный электрод, снова образуя LiCoO2.

Уравнение процесса зарядки и разрядки:

Катодная реакция: LiCoO2? Li1 - xCoO2 + + xLi + xe

Отрицательная реакция: xLi ++ xe + nC? LixCn

Реакция батареи: LiCoO2 + nC? Li1 - xCoO2 + LixCn

Принцип работы литий-ионных аккумуляторов в дополнение к окислению - восстановлению, также основан на электрохимической реакции возникновения, а именно, литий-ионные аккумуляторы в процессе зарядки и разрядки, литий (Li +) в виде энергии в форме иона. обмен носителя через электролит, использование встроенного иона лития, колебание между отрицательным, достичь цели обмена энергией. По сравнению с другими батареями, литий-ионный аккумулятор имеет преимущества высокой плотности энергии, высокого среднего выходного напряжения, высокой эффективности зарядки, низкой эффективности саморазряда, хороших характеристик безопасности, продолжительности цикла и длительного срока службы.

2. Принцип работы суперконденсаторов.

Во время зарядки электроны передаются от положительного электрода к отрицательному через внешний источник питания, так что положительный электрод и отрицательный электрод заряжаются соответственно положительно и отрицательно. Между тем, положительные и отрицательные ионы в теле раствора электролита разделяются и перемещаются к поверхности электрода и зарядовому слою на поверхности электрода, чтобы быть обращенными друг к другу, образуя двойной слой. При разряде электроны текут от отрицательного электрода к положительному электроду через нагрузку, а положительные и отрицательные ионы высвобождаются с поверхности электрода и возвращаются в тело раствора электролита, при этом двойной слой исчезает. Можно видеть, что конденсатор с двойным слоем ИСПОЛЬЗУЕТ двойной слой электрода и поверхности раздела электролита для хранения заряда. Процесс зарядки и разрядки всегда является физическим процессом без электрохимической реакции, поэтому он имеет преимущества стабильной работы, короткого времени зарядки и разрядки, длительного срока службы, высокой плотности мощности, хорошей производительности при высоких и низких температурах и так далее.

3. Принцип работы литий-ионного конденсатора.

Материал положительного электрода представляет собой активированный углеродный материал с двойным накоплением энергии электрическим слоем, материал отрицательного электрода представляет собой интеркалированный углеродный материал с функцией блокировки иона лития, а электролит представляет собой электролит на основе соли лития. Когда батарея заряжена, ионы лития отделяются от поверхности анодного материала и вставляются в решетку анодного материала после прохождения через электролит и мембрану. При разрядке ионы лития выходят из решетки отрицательного материала и возвращаются на поверхность положительного материала через электролит, образуя двойной слой с зарядом положительного электрода. Потенциал отрицательного электрода после имплантации лития низкий, что имеет характеристики высокого рабочего напряжения, высокой плотности энергии и плотности мощности между литий-ионным аккумулятором и суперконденсатором.

4. Преимущества литий-ионных конденсаторов перед литий-ионными аккумуляторами и суперконденсаторами.

(1) сравнение емкости, напряжения и саморазряда

Плотность энергии литий-ионного конденсатора меньше, чем у литий-ионного аккумулятора, но выходная плотность высока. Плотность энергии объема мономера составляет 10 ~ 15 Вт · ч / л, что намного больше, чем емкость двухслойного конденсатора, равная 2 ~ 8 Вт · ч / л, и вдвое больше.

Что касается напряжения, максимальное напряжение литий-ионного конденсатора может достигать 4 В, что похоже на напряжение литий-ионного аккумулятора, но намного выше, чем у двухслойного конденсатора, и меньше, чем у обоих, с точки зрения саморазряда. .

(2) безопасность

Положительный электрод ионно-литиевой батареи изготовлен из оксида лития, который не только содержит большое количество лития, который может образовывать дендриты лития и пробивать мембрану, но также содержит кислород, важный элемент зажигания. После короткого замыкания аккумулятора может развиться термическое разложение целого, и реакция с электролитом может вызвать возгорание. Но положительный полюс литиево-ионного конденсатора - это активированный уголь, даже если внутреннее короткое замыкание будет реагировать с отрицательным полюсом, но не будет реагировать с электролитом, теоретически будет намного безопаснее, чем литиевая батарея.

(3) долгая жизнь

Для достижения долгого срока службы литий-ионный аккумулятор имеет определенный предел диапазона по глубине заряда и разряда, чтобы уменьшить емкость, которая может быть использована по существу. Принцип зарядки и разрядки двухслойного конденсатора заключается в том, что он имеет долгий срок службы просто за счет поглощения или удаления ионов в электролите, что трудно продлить фактический срок службы. Однако, даже если катодный потенциал литий-ионного конденсатора снижается, напряжение самого блока существенно не упадет, поэтому емкость может быть гарантирована.

(4) высокая термостойкость

В условиях высокой температуры электролит и положительный электрод склонны к окислению и разложению. Следовательно, может потребоваться снижение потенциала положительного электрода в условиях высокой температуры. Но литий-ионный аккумулятор не может снизить напряжение, поэтому возникает вопрос безопасности. Только литий-ионные конденсаторы могут использоваться в потенциале положительного электрода вдали от зоны окислительного разложения, поэтому высокотемпературные характеристики превосходны.

5. Состояние применения и индустриализации литий-ионных конденсаторов.

Производство литий-ионных конденсаторов в основном включает: сырье для анода и катода, электролит, диафрагму, перфорированную коллекторную жидкость и простой металлический литиевый электрод и т. Д. Средние уровни в основном включают мономер литий-ионного конденсатора различных форм и спецификаций, а также литиево-ионный конденсатор. модуль интеграции мономерной системы; Нисходящий поток - это, в основном, спрос приложений на рынке терминалов. В настоящее время японский рынок сначала открыт, а затем он будет распространяться на международный рынок, например, для производства энергии ветра, светодиодного уличного освещения, производства солнечной энергии и гибридных электромобилей.

В настоящее время эти отрасли в основном контролируются иностранными компаниями. Например, Japan colorie и Japan ACT освоили технологию активированного угля и наноуглерода соответственно. Японская компания kanebo, японская kureha chemical, японская компания ATEC и т. Д. FERRO из США и HONEYWELL из Германии доминируют в электролитной промышленности. Мембрана была монополизирована NKK Японии, а пористая собирающая жидкость была монополизирована 3 металлическими компаниями Японии. В настоящее время лишь несколько компаний в Китае разрабатывают материалы с активированным углем и твердым углеродом для литий-ионных конденсаторов.

Рекомендации:

Юань Мэйжун, Ван Чен, Сюй Юнцзинь и др. Прогресс исследований литий-ионного конденсатора [J]. Справочник по материалам, 2013, 27 (21): 140-149.

Страница содержит содержимое машинного перевода.