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粉体百科 ▏锂离子电容器与锂离子电池、超级电容器三者的区别


来源:中国粉体网   平安

[导读]  锂离子电容器作为一种新型的储能器件,具有功率密度高、静电容量高和循环寿命比较长的优点,有望在新能源汽车、太阳能、风能等领域得到广泛的应用。其工作原理与锂离子电池、超级电容器有所不同。

中国粉体网讯  锂离子电容器作为一种新型的储能器件,具有功率密度高、静电容量高和循环寿命比较长的优点,有望在新能源汽车、太阳能、风能等领域得到广泛的应用。其工作原理与锂离子电池、超级电容器有所不同。

1、锂离子电池的工作原理

锂离子电池是继镉镍、氢镍电池后发展最快的二次电池。锂离子电池的正负极活性物质均为能够可逆地嵌入-脱出锂的化合物,其中至少有一种电极材料在组装前处于嵌锂状态,如过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2及LiMn2O4等作为正极,选用各种碳材料、金属氧化物或合金等作为负极材料。

锂离子电池的工作原理如图1所示,以石墨为负极、LiCoO2为正极。充电时,锂离子从正极材料中脱出,在电化学势梯度的驱使下经过电解液向负极迁移,电荷平衡要求等量的电子在外电路下从正极流向负极,到达负极后得到电子的锂离子再嵌入到负极材料晶格中;放电时则以相反过程进行,即锂离子离开负极晶格,嵌入正极重新形成LiCoO2。


充放电过程反应式为:

正极反应:LiCoO2 ⇌ Li1-xCoO2+xe+xLi+

负极反应:xLi++xe+nC ⇌ LixCn

电池反应:LiCoO2 +nC ⇌ Li1-xCoO2+LixCn

锂离子电池的工作原理除了“氧化-还原”以外,还基于电化学嵌入-脱出反应,即锂离子电池在充放电过程中,锂以离子形式(Li+)作为能量交换的载体,通过电解液,利用锂离子的嵌入和脱出,在正负极之间摇摆,达到能量交换的目的。与其他电池相比,锂离子电池具有能量密度高、平均输出电压高、充电效率高、自放电效率低、安全性能好、循环和使用寿命长等优点

2、超级电容器的工作原理

超级电容器一般主要由电极、电解液、集电体和隔膜等组成,其工作原理如图2所示。


充电时,电子通过外电源从正极传到负极,使正极和负极分别带正电和负电,同时电解质溶液本体中的正负离子分离并移动到电极表面与电极表面的电荷层对峙,形成双电层;放电时,电子通过负载由负极流到正极,正负离子则从电极表面释放并返回电解质溶液本体,同时双电层消失。由此可见双电层电容器利用电极和电解质界面的双电层来存储电荷,充放电过程始终是物理过程,不发生电化学反应,故其具有性能稳定、充放电时间短、循环寿命长、功率密度大、高低温性能良好等优点。

3、锂离子电容器的工作原理

富士重工的Hiromoto T等提出了锂离子电容器的工作原理,如图3所示。

正极材料是具有双电层储能的活性炭材料,负极材料是具有锂离子脱嵌功能的插层炭类材料,电解液为锂盐电解液。电池在充电时,锂离子脱离正极材料的表面,经过电解液和隔膜后插入到负极材料的晶格中;放电时,锂离子从负极材料的晶格中脱出,经过电解液返回到正极材料的表面,与正极的电荷形成双电层。嵌锂后的负极电位低,具有使用电压高、能量密度和功率密度介于锂离子电池和超级电容器之间的特点。

4、锂离子电容器相比锂离子电池和超级电容器所具有的优势

(1)容量、电压、自放电的比较

锂离子电容器的能量密度小于锂离子电池,但输出密度高;单体体积的能量密度为10~15Wh/L,较双电层电容器的2~8Wh/L的容量大得多,是后者的二倍。

在电压方面,锂离子电容器的最高电压可达到4V,与锂离子电池相近,而比双电层电容器高出许多,同时在自放电方面比二者都小。

(2)安全性

锂离子电池的正极由于采用锂氧化物,不但含有大量的锂可形成锂枝晶而刺穿隔膜,也含有氧这种重要的起火元素。电池一旦短路就可发展为整体的热分解,与电解液反应可引起燃烧。而锂离子电容器的正极是活性碳,即使内部短路会与负极发生反应,但不会与电解液反应,理论上,会比锂电池安全得多。

(3)寿命长

锂离子电池为了实现长寿命,对其充电和放电深度有一定的范围限制,这样就减少了实质上可以利用的容量,双电层电容器的充放电原理则是单纯以吸附或脱却电解液中的离子而具有长寿命的,仅凭这一点很难延长实际寿命。但锂离子电容器即使降低正极电位,单元自身的电压也不会大幅下降,因此可确保容量。

(4)耐高温

在高温条件下,电解液、正极容易发生氧化分解,为此,在高温条件下可能需要降低正极的电位,但在电位降低的情况下,双电层电容器整体电压下降,无法确保容量。而锂离子电池则无法降压,容易产生安全问题。唯有锂离子电容器可以在正极电位远离氧化分解区域的位置使用,因而高温性能出色。

5、锂离子电容器的应用及产业化现状

锂离子电容器产业上游主要包括:正负极原材料、电解液、隔膜、穿孔集流体以及单质金属锂极等;中游主要包括各种形状和不同规格的锂离子电容器单体,及锂离子电容器单体系统集成的模块;下游主要是终端市场的应用需求,目前日本市场初步开启,随后将会在国际市场上辐射开,如:风力发电、LED路灯照明、太阳能发电以及混合电动汽车等。

目前这些产业主要由国外公司控制,例如日本可乐丽和日本ACT公司分别掌握了活性炭和纳米门炭技术;日本嘉娜宝公司、日本吴羽化学、日本ATEC公司等掌握着聚并苯、硬炭等负极材料的技术;美国FERRO、德国HONEYWELL等在电解液方面占据主导地位;隔膜由日本NKK垄断,多孔集流体由日本3家金属株式会社垄断。国内目前仅有少数几家公司正在开发锂离子电容器正极活性炭和负极硬炭材料。

参考文献:

袁美蓉,王臣,徐永进,等.锂离子电容器的研究进展[J].材料导报,2013,27(21): 140-149.

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