鋰離子電容器與鋰離子電池、超級(jí)電容器有什么區(qū)別？工作原理詳細(xì)概述

鋰離子電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、靜電容量高和循環(huán)壽命比較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，有望在新能源汽車、太陽能、風(fēng)能等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其工作原理與鋰離子電池、超級(jí)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(fā)展最快的二次電池。鋰離子電池的正負(fù)極活性物質(zhì)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(tài)，如過渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2、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(fù)極材料。

鋰離子電池的工作原理如圖１所示，以石墨為負(fù)極、LiCoO2為正極。充電時(shí)，鋰離子從正極材料中脫出，在電化學(xué)勢(shì)梯度的驅(qū)使下經(jīng)過電解液向負(fù)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(fù)極，到達(dá)負(fù)極后得到電子的鋰離子再嵌入到負(fù)極材料晶格中；放電時(shí)則以相反過程進(jìn)行，即鋰離子離開負(fù)極晶格，嵌入正極重新形成LiCoO2。

充放電過程反應(yīng)式為：

正極反應(yīng)：

LiCoO2? Li１－ｘCoO2＋ｘe＋ｘLi＋

負(fù)極反應(yīng)：

ｘLi＋＋ｘe＋ｎC ? LiｘCｎ

電池反應(yīng)：

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(xué)嵌入-脫出反應(yīng)，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(fù)極之間搖擺，達(dá)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(huán)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2、超級(jí)電容器的工作原理

超級(jí)電容器一般主要由電極、電解液、集電體和隔膜等組成，其工作原理如圖２所示。

充電時(shí)，電子通過外電源從正極傳到負(fù)極，使正極和負(fù)極分別帶正電和負(fù)電，同時(shí)電解質(zhì)溶液本體中的正負(fù)離子分離并移動(dòng)到電極表面與電極表面的電荷層對(duì)峙，形成雙電層；放電時(shí)，電子通過負(fù)載由負(fù)極流到正極，正負(fù)離子則從電極表面釋放并返回電解質(zhì)溶液本體，同時(shí)雙電層消失。由此可見雙電層電容器利用電極和電解質(zhì)界面的雙電層來存儲(chǔ)電荷，充放電過程始終是物理過程，不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，故其具有性能穩(wěn)定、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、高低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

3、鋰離子電容器的工作原理

富士重工的Hiromoto T等提出了鋰離子電容器的工作原理，如圖３所示。

正極材料是具有雙電層儲(chǔ)能的活性炭材料，負(fù)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(shí)，鋰離子脫離正極材料的表面，經(jīng)過電解液和隔膜后插入到負(fù)極材料的晶格中；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極材料的晶格中脫出，經(jīng)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(fù)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(jí)電容器之間的特點(diǎn)。

4、鋰離子電容器相比鋰離子電池和超級(jí)電容器所具有的優(yōu)勢(shì)

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(dá)到4V，與鋰離子電池相近，而比雙電層電容器高出許多，同時(shí)在自放電方面比二者都小。

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(fā)展為整體的熱分解，與電解液反應(yīng)可引起燃燒。而鋰離子電容器的正極是活性碳，即使內(nèi)部短路會(huì)與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，但不會(huì)與電解液反應(yīng)，理論上，會(huì)比鋰電池安全得多。

壽命長(zhǎng)

鋰離子電池為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命，對(duì)其充電和放電深度有一定的范圍限制，這樣就減少了實(shí)質(zhì)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(zhǎng)壽命的，僅憑這一點(diǎn)很難延長(zhǎng)實(shí)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(huì)大幅下降，因此可確保容量。

耐高溫

在高溫條件下，電解液、正極容易發(fā)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(chǎn)生安全問題。唯有鋰離子電容器可以在正極電位遠(yuǎn)離氧化分解區(qū)域的位置使用，因而高溫性能出色。

5、鋰離子電容器的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

鋰離子電容器產(chǎn)業(yè)上游主要包括：正負(fù)極原材料、電解液、隔膜、穿孔集流體以及單質(zhì)金屬鋰極等；中游主要包括各種形狀和不同規(guī)格的鋰離子電容器單體，及鋰離子電容器單體系統(tǒng)集成的模塊；下游主要是終端市場(chǎng)的應(yīng)用需求，目前日本市場(chǎng)初步開啟，隨后將會(huì)在國(guó)際市場(chǎng)上輻射開，如：風(fēng)力發(fā)電、LED路燈照明、太陽能發(fā)電以及混合電動(dòng)汽車等。

圖4 中國(guó)中車與美國(guó)Maxwell合作開發(fā)的鋰離子電容器

目前這些產(chǎn)業(yè)主要由國(guó)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(shù)；日本嘉娜寶公司、日本吳羽化學(xué)、日本ATEC公司等掌握著聚并苯、硬炭等負(fù)極材料的技術(shù)；美國(guó)FERRO、德國(guó)HONEYWELL等在電解液方面占據(jù)主導(dǎo)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(huì)社壟斷。國(guó)內(nèi)目前僅有少數(shù)幾家公司正在開發(fā)鋰離子電容器正極活性炭和負(fù)極硬炭材料。