La diferencia entre condensadores de iones de litio, baterías de iones de litio y supercondensadores

Como nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía, el condensador de iones de litio tiene las ventajas de una alta densidad de potencia, una alta capacidad electrostática y un ciclo de vida prolongado. Se espera que sea ampliamente utilizado en vehículos de nueva energía, energía solar, energía eólica y otros campos. Funciona de manera diferente a las baterías de iones de litio y los supercondensadores.

1. Principio de funcionamiento de la batería de iones de litio

La batería de iones de litio es la batería secundaria de más rápido desarrollo después de la batería de níquel-cadmio y níquel-hidrógeno. Los materiales activos de los electrodos positivos y negativos de las baterías de iones de litio son todos compuestos que se pueden incrustar reversiblemente dentro y fuera del litio, entre los cuales al menos un material de electrodo está en estado incrustado de litio antes del ensamblaje, como los óxidos de metales de transición LiCoO2 LiNiO2 y LiMn2O4 como electrodo positivo, y varios materiales de carbono, óxidos metálicos o aleaciones como materiales de electrodo negativo.

El principio de funcionamiento de la batería de iones de litio se muestra en la figura 1, con grafito como electrodo negativo y LiCoO2 como electrodo positivo. Durante la carga, los iones de litio se separan del material del ánodo y migran al electrodo negativo a través del electrolito impulsado por el gradiente de potencial electroquímico. El equilibrio de carga requiere que la misma cantidad de electrones fluya desde el electrodo positivo al electrodo negativo en el circuito externo. Después de alcanzar el electrodo negativo, los iones de litio que obtienen electrones se incrustan en la red del material negativo. Al descargar, el proceso va en la dirección opuesta, es decir, los iones de litio salen de la red del electrodo negativo y se incrustan en el electrodo positivo para formar LiCoO2 nuevamente.

La ecuación del proceso de carga y descarga es:

Reacción del cátodo: ¿LiCoO2? Li1 - xCoO2 + + xLi + xe

Reacción negativa: xLi ++ xe + nC? LixCn

Respuesta de la batería: LiCoO2 + nC? Li1 - xCoO2 + LixCn

El principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio, además de la oxidación - reducción, también basada en electroquímica incrustada - respuesta de emergencia, es decir, las baterías de iones de litio en el proceso de carga y descarga, el litio (Li +) como energía en forma de iones El intercambio del portador, a través del electrolito, el uso de iones de litio incrustados y la emergencia, el cambio entre es negativo, logra el objetivo del intercambio de energía. En comparación con otras baterías, la batería de iones de litio tiene las ventajas de alta densidad de energía, alto voltaje de salida promedio, alta eficiencia de carga, baja eficiencia de autodescarga, buen rendimiento de seguridad, ciclo y larga vida útil.

2. Principio de funcionamiento de los supercondensadores

Durante la carga, los electrones se transfieren del electrodo positivo al electrodo negativo a través de una fuente de alimentación externa, de modo que el electrodo positivo y el electrodo negativo se cargan positiva y negativamente respectivamente. Mientras tanto, los iones positivos y negativos en el cuerpo de la solución de electrolito se separan y se mueven a la superficie del electrodo y la capa de carga en la superficie del electrodo para enfrentarse entre sí, formando una capa doble. Al descargar, los electrones fluyen desde el electrodo negativo al electrodo positivo a través de la carga, y los iones positivos y negativos se liberan de la superficie del electrodo y regresan al cuerpo de la solución de electrolito, y la doble capa desaparece al mismo tiempo. Puede verse que el condensador de doble capa UTILIZA la doble capa de electrodo y la interfaz del electrolito para almacenar carga. El proceso de carga y descarga es siempre un proceso físico sin reacción electroquímica, por lo que tiene las ventajas de un rendimiento estable, tiempo de carga y descarga corto, ciclo de vida largo, alta densidad de potencia, buen rendimiento a alta y baja temperatura, etc.

3. Principio de funcionamiento del condensador de iones de litio.

El material del electrodo positivo es el material de carbón activado con almacenamiento de energía de doble capa eléctrica, el material del electrodo negativo es el material de carbón intercalado con función de desbloqueo de iones de litio y el electrolito es el electrolito de sal de litio. Cuando la batería está cargada, los iones de litio se separan de la superficie del material del ánodo y se insertan en la red del material del ánodo después de pasar a través del electrolito y la membrana. Al descargar, los iones de litio salen del enrejado del material negativo y regresan a la superficie del material positivo a través del electrolito, formando una doble capa con la carga del electrodo positivo. El potencial del electrodo negativo después de la implantación de litio es bajo, lo que tiene las características de alto voltaje de servicio, alta densidad de energía y densidad de potencia entre la batería de iones de litio y el supercondensador.

4. Ventajas de los condensadores de iones de litio sobre las baterías y supercondensadores de iones de litio

(1) comparación de capacidad, voltaje y autodescarga

La densidad de energía del condensador de iones de litio es menor que la de la batería de iones de litio, pero la densidad de salida es alta. La densidad de energía del volumen de monómero es de 10 ~ 15 Wh / L, que es mucho mayor que la capacidad de 2 ~ 8 Wh / L del condensador de doble capa y el doble de este último.

En términos de voltaje, el voltaje máximo de un capacitor de iones de litio puede alcanzar los 4V, que es similar al de una batería de iones de litio, pero mucho más alto que el de un capacitor de doble capa, y más pequeño que ambos en términos de autodescarga. .

(2) seguridad

El electrodo positivo de la batería de iones de litio está hecho de óxido de litio, que no solo contiene una gran cantidad de litio que puede formar dendritas de litio y perforar la membrana, sino que también contiene oxígeno, un elemento importante de ignición. Una vez que se puede desarrollar el cortocircuito de la batería para la descomposición térmica del conjunto, y la reacción con el electrolito puede provocar la combustión. Pero el polo positivo del condensador de iones de litio es carbón activado, incluso si el cortocircuito interno reaccionará con el polo negativo, pero no reaccionará con el electrolito, en teoría, será mucho más seguro que la batería de litio.

(3) larga vida

Para lograr una larga vida útil, la batería de iones de litio tiene un cierto límite de rango en su profundidad de carga y descarga, a fin de reducir la capacidad que se puede utilizar en esencia. El principio de carga y descarga del condensador de doble capa es que tiene una larga vida simplemente al absorber o eliminar los iones en el electrolito, lo que es difícil de prolongar la vida real. Sin embargo, incluso si se reduce el potencial del cátodo de un condensador de iones de litio, el voltaje de la unidad en sí no caerá significativamente, por lo que se puede garantizar la capacidad.

(4) resistencia a altas temperaturas

En condiciones de alta temperatura, el electrolito y el electrodo positivo son propensos a oxidarse y descomponerse. Por lo tanto, es posible que sea necesario reducir el potencial del electrodo positivo en condiciones de alta temperatura. Pero la batería de iones de litio no puede reducir el voltaje, es fácil producir la pregunta de seguridad. Solo se pueden usar condensadores de iones de litio en el potencial de electrodo positivo lejos del área de descomposición por oxidación, por lo que el rendimiento a alta temperatura es excelente.

5. Estado de aplicación y de industrialización de los condensadores de iones de litio

La corriente ascendente de la industria de condensadores de iones de litio incluye principalmente: materias primas de ánodo y cátodo, electrolito, diafragma, fluido colector perforado y electrodo de litio de metal simple, etc. Los tramos medios incluyen principalmente monómero de condensador de iones de litio de varias formas y especificaciones, y condensador de iones de litio módulo de integración del sistema de monómeros; El downstream es principalmente la demanda de aplicaciones del mercado de terminales. En la actualidad, el mercado japonés está inicialmente abierto y luego irradiará en el mercado internacional, como la generación de energía eólica, el alumbrado público LED, la generación de energía solar y los vehículos eléctricos híbridos.

En la actualidad, estas industrias están controladas principalmente por empresas extranjeras. Por ejemplo, Japan Colorie y Japan ACT han dominado la tecnología de carbón activado y nanocarbón respectivamente. La compañía japonesa kanebo, la química japonesa kureha, la compañía japonesa ATEC, etc. FERRO de los Estados Unidos y HONEYWELL de Alemania dominan la industria de los electrolitos. La membrana fue monopolizada por NKK de Japón, y el fluido colector poroso fue monopolizado por 3 empresas de metales de Japón. En la actualidad, solo unas pocas empresas en China están desarrollando carbón activado positivo y materiales de carbón duro negativo para condensadores de iones de litio.

Referencias:

Yuan meirong, wang Chen, xu yongjin, et al. Avance de la investigación del condensador de iones de litio [J]. Guía de materiales, 2013,27 (21): 140-149.

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