Der Unterschied zwischen Lithium-Ionen-Kondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren

Als neuartige energiespeichervorrichtung bietet der Lithiumionenkondensator die Vorteile einer hohen Leistungsdichte, einer hohen elektrostatischen Kapazität und einer langen Lebensdauer. Es wird erwartet, dass es in Fahrzeugen mit neuer Energie, Solarenergie, Windenergie und anderen Bereichen weit verbreitet ist. Es funktioniert anders als Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren.

1. Funktionsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie

Die Lithium-Ionen-Batterie ist nach der Nickel-Cadmium- und Nickel-Wasserstoff-Batterie die sich am schnellsten entwickelnde Sekundärbatterie. Die aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden von Lithiumionenbatterien sind alle Verbindungen, die reversibel in Lithium und aus Lithium eingebettet werden können, von denen sich mindestens ein Elektrodenmaterial vor dem Zusammenbau im eingebetteten Lithiumzustand befindet, wie Übergangsmetalloxide LiCoO2, LiNiO2 und LiMn2O4 als positive Elektrode und verschiedene Kohlenstoffmaterialien, Metalloxide oder Legierungen als negative Elektrodenmaterialien.

Das Funktionsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei Graphit als negative Elektrode und LiCoO2 als positive Elektrode verwendet werden. Beim Laden werden Lithiumionen vom Anodenmaterial getrennt und wandern durch den vom elektrochemischen Potentialgradienten angetriebenen Elektrolyten zur negativen Elektrode. Der Ladungsausgleich erfordert, dass die gleiche Menge an Elektronen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode im externen Stromkreis fließt. Nach Erreichen der negativen Elektrode werden Lithiumionen, die Elektronen erhalten, in das Gitter des negativen Materials eingebettet. Beim Entladen verläuft der Prozess in die entgegengesetzte Richtung, dh Lithiumionen verlassen das negative Elektrodengitter und binden die positive Elektrode ein, um wieder LiCoO2 zu bilden.

Die Gleichung des Lade- und Entladevorgangs lautet:

Kathodenreaktion: LiCoO2? Li1 - xCoO2 + + xLi + xe

Negative Reaktion: xLi ++ xe + nC? LixCn

Batterieantwort: LiCoO2 + nC? Li1 - xCoO2 + LixCn

Das Arbeitsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien neben der Oxidation - Reduktion, auch basierend auf elektrochemisch eingebetteten - Entstehungsreaktion, nämlich die Lithium-Ionen-Batterien im Lade- und Entladevorgang, Lithium (Li +) als Energie in Form von Ionen Austausch des Trägers, durch den Elektrolyten, Verwendung von eingebetteten Lithiumionen und Austritt, Wechsel zwischen ist negativ, erreichen das Ziel des Energieaustauschs. Im Vergleich zu anderen Batterien bietet eine Lithium-Ionen-Batterie die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer hohen durchschnittlichen Ausgangsspannung, einer hohen Ladeeffizienz, einer geringen Selbstentladungseffizienz, einer guten Sicherheitsleistung, eines guten Zyklus und einer langen Lebensdauer.

2. Funktionsprinzip von Superkondensatoren

Während des Ladens werden Elektronen über eine externe Stromversorgung von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode übertragen, so dass die positive Elektrode und die negative Elektrode positiv bzw. negativ geladen werden. Währenddessen werden die positiven und negativen Ionen im Elektrolytlösungskörper getrennt und zur Elektrodenoberfläche und zur Ladungsschicht auf der Elektrodenoberfläche bewegt, um sich gegenüber zu stehen, wobei eine Doppelschicht gebildet wird. Beim Entladen fließen Elektronen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode durch die Last, und die positiven und negativen Ionen werden von der Elektrodenoberfläche freigesetzt und kehren zum Körper der Elektrolytlösung zurück, und gleichzeitig verschwindet die Doppelschicht. Es ist ersichtlich, dass der Doppelschichtkondensator die Doppelschicht aus Elektrode und Elektrolytgrenzfläche verwendet, um Ladung zu speichern. Der Lade- und Entladevorgang ist immer ein physikalischer Prozess ohne elektrochemische Reaktion, daher bietet er die Vorteile einer stabilen Leistung, einer kurzen Lade- und Entladezeit, einer langen Zykluslebensdauer, einer hohen Leistungsdichte, einer guten Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen usw.

3. Funktionsprinzip des Lithiumionenkondensators

Das positive Elektrodenmaterial ist das Aktivkohlematerial mit doppelter elektrischer Schichtenergiespeicherung, das negative Elektrodenmaterial ist das interkalierte Kohlenstoffmaterial mit Lithiumionen-Delocking-Funktion und der Elektrolyt ist der Lithiumsalz-Elektrolyt. Wenn die Batterie geladen ist, werden die Lithiumionen von der Oberfläche des Anodenmaterials getrennt und nach dem Passieren des Elektrolyten und der Membran in das Gitter des Anodenmaterials eingeführt. Beim Entladen treten Lithiumionen aus dem Gitter des negativen Materials aus und kehren durch den Elektrolyten zur Oberfläche des positiven Materials zurück, wobei sie mit der Ladung der positiven Elektrode eine Doppelschicht bilden. Das negative Elektrodenpotential nach der Lithiumimplantation ist niedrig, was die Eigenschaften einer hohen Betriebsspannung, einer hohen Energiedichte und einer hohen Leistungsdichte zwischen der Lithiumionenbatterie und dem Superkondensator aufweist.

4. Vorteile von Lithium-Ionen-Kondensatoren gegenüber Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren

(1) Vergleich von Kapazität, Spannung und Selbstentladung

Die Energiedichte des Li-Ionen-Kondensators ist geringer als die der Li-Ionen-Batterie, aber die Ausgangsdichte ist hoch. Die Energiedichte des Monomervolumens beträgt 10 bis 15 Wh / l, was viel größer ist als die Kapazität von 2 bis 8 Wh / l des Doppelschichtkondensators und zweimal des letzteren.

In Bezug auf die Spannung kann die maximale Spannung eines Lithiumionenkondensators 4 V erreichen, was der einer Lithiumionenbatterie ähnlich ist, jedoch viel höher als die eines Doppelschichtkondensators und in Bezug auf die Selbstentladung kleiner als beide .

(2) Sicherheit

Die positive Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie besteht aus Lithiumoxid, das nicht nur eine große Menge Lithium enthält, das Lithiumdendriten bilden und die Membran durchbohren kann, sondern auch Sauerstoff, ein wichtiges Zündelement. Sobald der Batteriekurzschluss für die thermische Zersetzung des Ganzen entwickelt werden kann, kann die Reaktion mit dem Elektrolyten eine Verbrennung verursachen. Der positive Pol des Lithiumionenkondensators ist jedoch Aktivkohle, selbst wenn der interne Kurzschluss mit dem negativen Pol reagiert, aber nicht mit dem Elektrolyten. Theoretisch ist dies viel sicherer als die Lithiumbatterie.

(3) langes Leben

Um eine lange Lebensdauer zu erreichen, hat der lithium-ionen-akku eine bestimmte Bereichsgrenze für seine Lade- und Entladetiefe, um die Kapazität zu verringern, die im Wesentlichen verwendet werden kann. Das Lade- und Entladeprinzip eines Doppelschichtkondensators besteht darin, dass er eine lange Lebensdauer hat, indem er einfach die Ionen im Elektrolyten absorbiert oder entfernt, was schwierig ist, die tatsächliche Lebensdauer zu verlängern. Selbst wenn das Kathodenpotential eines Lithiumionenkondensators verringert wird, fällt die Spannung der Einheit selbst nicht wesentlich ab, so dass die Kapazität garantiert werden kann.

(4) Hochtemperaturbeständigkeit

Unter hohen Temperaturbedingungen neigen der Elektrolyt und die positive Elektrode zur Oxidation und Zersetzung. Daher muss das positive Elektrodenpotential unter Bedingungen hoher Temperatur möglicherweise verringert werden. Der Lithium-Ionen-akku kann die Spannung jedoch nicht reduzieren, was die Sicherheitsfrage leicht stellt. Im positiven Elektrodenpotential außerhalb des Oxidationszersetzungsbereichs können nur Lithiumionenkondensatoren verwendet werden, so dass die Hochtemperaturleistung ausgezeichnet ist.

5. Anwendungs- und Industrialisierungsstatus von Lithiumionenkondensatoren

Die vorgelagerte Lithiumionenkondensatorindustrie umfasst hauptsächlich: Anoden- und Kathodenrohstoffe, Elektrolyt, Membran, perforierte Kollektorflüssigkeit und einfache Metallelithiumelektrode usw. Die mittleren Bereiche umfassen hauptsächlich Lithiumionenkondensatormonomer verschiedener Formen und Spezifikationen sowie Lithiumionenkondensatoren Integrationsmodul für Monomersysteme; Der Downstream ist hauptsächlich die Anwendungsnachfrage des Terminalmarktes. Derzeit wird der japanische Markt zunächst geöffnet und dann auf dem internationalen Markt wie Windkraft, LED-Straßenbeleuchtung, Solarenergieerzeugung und Hybrid-Elektrofahrzeuge ausgestrahlt.

Derzeit werden diese Branchen hauptsächlich von ausländischen Unternehmen kontrolliert. Zum Beispiel beherrschen Japan Colorie und Japan ACT die Aktivkohle- bzw. Nanokohlenstofftechnologie. Das japanische Unternehmen Kanebo, das japanische Unternehmen Kureha Chemical, das japanische Unternehmen ATEC usw. FERRO aus den USA und HONEYWELL aus Deutschland dominieren die Elektrolytindustrie. Die Membran wurde von NKK aus Japan monopolisiert, und die poröse Sammelflüssigkeit wurde von 3 Metallunternehmen aus Japan monopolisiert. Derzeit entwickeln nur wenige Unternehmen in China positive Aktivkohle- und negative Hartkohlenstoffmaterialien für Lithiumionenkondensatoren.

Verweise:

Yuan Meirong, Wang Chen, Xu Yongjin et al. Forschungsfortschritt des Lithiumionenkondensators [J]. Materials Guide, 2013, 27 (21): 140-149.

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