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鋰離子電容器與鋰離子電池、超級電容器三者的區別

來源:鉅大LARGE    2019-06-18    點擊量:104

鋰離子電容器作為一種新型的儲能器件,具有功率密度高、靜電容量高和循環壽命比較長的優點,有望在新能源汽車、太陽能、風能等領域得到廣泛的應用。其工作原理與鋰離子電池、超級電容器有所不同。

1、鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池是繼鎘鎳、氫鎳電池后發展最快的二次電池。鋰離子電池的正負極活性物質均為能夠可逆地嵌入-脫出鋰的化合物,其中至少有一種電極材料在組裝前處于嵌鋰狀態,如過渡金屬氧化物LiCoO2、LiNiO2及LiMn2O4等作為正極,選用各種碳材料、金屬氧化物或合金等作為負極材料。

鋰離子電池的工作原理如圖1所示,以石墨為負極、LiCoO2為正極。充電時,鋰離子從正極材料中脫出,在電化學勢梯度的驅使下經過電解液向負極遷移,電荷平衡要求等量的電子在外電路下從正極流向負極,到達負極后得到電子的鋰離子再嵌入到負極材料晶格中;放電時則以相反過程進行,即鋰離子離開負極晶格,嵌入正極重新形成LiCoO2。

充放電過程反應式為:

正極反應:LiCoO2?Li1-xCoO2+xe+xLi+

負極反應:xLi++xe+nC?LixCn

電池反應:LiCoO2+nC?Li1-xCoO2+LixCn

鋰離子電池的工作原理除了“氧化-還原”以外,還基于電化學嵌入-脫出反應,即鋰離子電池在充放電過程中,鋰以離子形式(Li+)作為能量交換的載體,通過電解液,利用鋰離子的嵌入和脫出,在正負極之間搖擺,達到能量交換的目的。與其他電池相比,鋰離子電池具有能量密度高、平均輸出電壓高、充電效率高、自放電效率低、安全性能好、循環和使用壽命長等優點。

2、超級電容器的工作原理

充電時,電子通過外電源從正極傳到負極,使正極和負極分別帶正電和負電,同時電解質溶液本體中的正負離子分離并移動到電極表面與電極表面的電荷層對峙,形成雙電層;放電時,電子通過負載由負極流到正極,正負離子則從電極表面釋放并返回電解質溶液本體,同時雙電層消失。由此可見雙電層電容器利用電極和電解質界面的雙電層來存儲電荷,充放電過程始終是物理過程,不發生電化學反應,故其具有性能穩定、充放電時間短、循環壽命長、功率密度大、高低溫性能良好等優點。

3、鋰離子電容器的工作原理

正極材料是具有雙電層儲能的活性炭材料,負極材料是具有鋰離子脫嵌功能的插層炭類材料,電解液為鋰鹽電解液。電池在充電時,鋰離子脫離正極材料的表面,經過電解液和隔膜后插入到負極材料的晶格中;放電時,鋰離子從負極材料的晶格中脫出,經過電解液返回到正極材料的表面,與正極的電荷形成雙電層。嵌鋰后的負極電位低,具有使用電壓高、能量密度和功率密度介于鋰離子電池和超級電容器之間的特點。

4、鋰離子電容器相比鋰離子電池和超級電容器所具有的優勢

(1)容量、電壓、自放電的比較

鋰離子電容器的能量密度小于鋰離子電池,但輸出密度高;單體體積的能量密度為10~15Wh/L,較雙電層電容器的2~8Wh/L的容量大得多,是后者的二倍。

在電壓方面,鋰離子電容器的最高電壓可達到4V,與鋰離子電池相近,而比雙電層電容器高出許多,同時在自放電方面比二者都小。

(2)安全性

鋰離子電池的正極由于采用鋰氧化物,不但含有大量的鋰可形成鋰枝晶而刺穿隔膜,也含有氧這種重要的起火元素。電池一旦短路就可發展為整體的熱分解,與電解液反應可引起燃燒。而鋰離子電容器的正極是活性碳,即使內部短路會與負極發生反應,但不會與電解液反應,理論上,會比鋰電池安全得多。

(3)壽命長

鋰離子電池為了實現長壽命,對其充電和放電深度有一定的范圍限制,這樣就減少了實質上可以利用的容量,雙電層電容器的充放電原理則是單純以吸附或脫卻電解液中的離子而具有長壽命的,僅憑這一點很難延長實際壽命。但鋰離子電容器即使降低正極電位,單元自身的電壓也不會大幅下降,因此可確保容量。

(4)耐高溫

在高溫條件下,電解液、正極容易發生氧化分解,為此,在高溫條件下可能需要降低正極的電位,但在電位降低的情況下,雙電層電容器整體電壓下降,無法確保容量。而鋰離子電池則無法降壓,容易產生安全問題。唯有鋰離子電容器可以在正極電位遠離氧化分解區域的位置使用,因而高溫性能出色。

5、鋰離子電容器的應用及產業化現狀

鋰離子電容器產業上游主要包括:正負極原材料、電解液、隔膜、穿孔集流體以及單質金屬鋰極等;中游主要包括各種形狀和不同規格的鋰離子電容器單體,及鋰離子電容器單體系統集成的模塊;下游主要是終端市場的應用需求,目前日本市場初步開啟,隨后將會在國際市場上輻射開,如:風力發電、LED路燈照明、太陽能發電以及混合電動汽車等。

目前這些產業主要由國外公司控制,例如日本可樂麗和日本ACT公司分別掌握了活性炭和納米門炭技術;日本嘉娜寶公司、日本吳羽化學、日本ATEC公司等掌握著聚并苯、硬炭等負極材料的技術;美國FERRO、德國HONEYWELL等在電解液方面占據主導地位;隔膜由日本NKK壟斷,多孔集流體由日本3家金屬株式會社壟斷。國內目前僅有少數幾家公司正在開發鋰離子電容器正極活性炭和負極硬炭材料。

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