Литий-ионный конденсатор
 Несимметричные литий-ионные конденсаторы до 200 Ф для монтажа на печатной плате | |
| Удельная энергия | 19–262 Вт⋅ч /кг [1] |
|---|---|
| Плотность энергии | 19–25 Вт⋅ч/л [ нужна проверка ] |
| Удельная мощность | 300–156 000 Вт/кг [1] |
| Эффективность зарядки/разрядки | 95% [ нужна проверка ] |
| Скорость саморазряда | < 5% в месяц (зависит от температуры) |
| Долговечность цикла | 100–75 000 более 90% [1] |
| Номинальное напряжение ячейки | 1.5–4.5 V [1] |
Литий -ионный конденсатор ( LIC или LiC ) — это гибридный тип конденсатора, классифицируемый как тип суперконденсатора . Он называется гибридным, потому что анод такой же, как у литий-ионных аккумуляторов, а катод такой же, как у суперконденсаторов. активированный уголь обычно используется В качестве катода . Анод ионами ЛИЦ состоит из углеродного материала, который часто предварительно легируется лития . Этот процесс предварительного легирования снижает потенциал анода и обеспечивает относительно высокое выходное напряжение по сравнению с другими суперконденсаторами.
История
[ редактировать ]В 1981 году доктор Ямабе из Киотского университета в сотрудничестве с доктором Ята из компании Kanebo Co. создал материал, известный как PAS (полиаценовый полупроводник), путем пиролиза фенольной смолы при температуре 400–700 °C. [2] Этот аморфный углеродистый материал хорошо работает в качестве электрода в перезаряжаемых устройствах с высокой плотностью энергии. Патенты были поданы в начале 1980-х годов компанией Kanebo Co., [3] и начались усилия по коммерциализации конденсаторов PAS и литий-ионных конденсаторов (LIC). Конденсатор PAS был впервые использован в 1986 году. [4] и конденсатор LIC в 1991 году.
Это было до 2001 года [5] что исследовательская группа смогла воплотить в жизнь идею гибридного ионного конденсатора. Было проведено множество исследований для улучшения характеристик электродов и электролитов и увеличения срока службы, но только в 2010 году Naoi et al. совершили настоящий прорыв, разработав наноструктурированный композит LTO (оксид лития и титана) с углеродными нановолокнами . [6] В настоящее время еще одной областью интересов являются натрий-ионные конденсаторы (NIC), поскольку натрий намного дешевле лития. Тем не менее, LIC по-прежнему превосходит NIC, поэтому на данный момент он экономически нежизнеспособен. [7]
Концепция
[ редактировать ]
Литий-ионный конденсатор — это гибридное электрохимическое устройство хранения энергии, которое сочетает в себе интеркаляционный механизм анода литий-ионного аккумулятора с двухслойным механизмом катода двухслойного электрического конденсатора ( EDLC ). Сочетание отрицательного электрода LTO аккумуляторного типа и положительного активированного угля конденсаторного типа (AC) привело к получению плотности энергии ок. 20 Вт⋅ч/кг, что примерно в 4–5 раз больше, чем у стандартного двухслойного электрического конденсатора (EDLC). Однако было показано, что плотность мощности соответствует плотности мощности EDLC, поскольку он способен полностью разряжаться за секунды. [8]
На отрицательном электроде (аноде), для которого часто используется активированный уголь , заряды накапливаются в двойном электрическом слое , который образуется на границе раздела электрода и электролита. Как и EDLC, напряжения LIC изменяются линейно, что усложняет их интеграцию в системы, имеющие силовую электронику, которая ожидает более стабильного напряжения батарей. Как следствие, LIC имеют высокую плотность энергии, которая зависит от квадрата напряжения. Емкость анода на несколько порядков больше емкости катода. В результате изменение потенциала анода при заряде и разряде значительно меньше, чем изменение потенциала катода.
Анод
[ редактировать ]Отрицательный электрод или анод LIC представляет собой электрод аккумуляторного типа или электрод с высокой плотностью энергии. Анод можно заряжать и содержать большое количество энергии за счет обратимой интеркаляции ионов лития. Этот процесс представляет собой электрохимическую реакцию. По этой причине деградация представляет собой большую проблему для анода, чем для катода, поскольку катод участвует в электростатическом процессе, а не в электрохимическом .
Существует две группы анодов. Первая группа — это гибриды электрохимически активных частиц и углеродистых материалов. Вторая группа – это наноструктурированные анодные материалы. Анод LIC по сути представляет собой аккумуляторный материал интеркаляционного типа, который имеет вялую кинетику . Однако, чтобы использовать анод в СИД, необходимо немного приблизить их свойства к свойствам конденсатора за счет разработки гибридных анодных материалов. Гибридные материалы могут быть получены с использованием механизмов хранения конденсаторного и аккумуляторного типа. [1] В настоящее время лучшей электрохимической разновидностью является оксид лития и титана (LTO). Li 4 Ti 5 O 12 из-за его исключительных свойств, таких как высокая кулоновская эффективность , стабильное плато рабочего напряжения и незначительное изменение объема во время введения/вывода лития. Голый LTO имеет плохую электропроводность и диффузию ионов лития , поэтому необходим гибрид. [9] Преимущества LTO в сочетании с высокой электропроводностью и ионной диффузией углеродсодержащих материалов, таких как углеродные покрытия, приводят к экономически выгодным LIC.
Электродный потенциал LTO довольно стабилен около -1,5 В по сравнению с Li/Li. + . Поскольку используется углеродистый материал, потенциал графитового электрода, который первоначально составляет -0,1 В по сравнению с SHE (стандартным водородным электродом), далее снижается до -2,8 В за счет интеркалирования ионов лития. Этот этап называется «легированием» и часто происходит в устройстве между анодом и расходуемым литиевым электродом. Легирование анода снижает анодный потенциал и приводит к более высокому выходному напряжению конденсатора. Обычно выходные напряжения LIC находятся в диапазоне 3,8–4,0 В, но ограничены минимально допустимыми напряжениями 1,8–2,2 В.
Наноструктурированные материалы представляют собой оксиды металлов с высокой удельной поверхностью. Их главное преимущество заключается в том, что это способ увеличить производительность анода за счет уменьшения путей диффузии электролитических частиц. Были разработаны различные формы наноструктур, включая нанотрубки (одно- и многостенные), наночастицы, нанопроволоки и наношарики для повышения плотности мощности. [7] [1]
Другие кандидаты в качестве анодных материалов исследуются в качестве альтернативы графитовому углероду. [7] например твердый углерод, [6] [10] [11] мягкий углерод и углероды на основе графена. [12] Ожидаемая выгода по сравнению с графитовым углеродом заключается в увеличении потенциала легированного электрода, что приводит к повышению мощности, а также к снижению риска металлического (литиевого) покрытия на аноде.
Катод
[ редактировать ]Катод ЛИЦ использует двойной электрический слой для хранения энергии. Чтобы максимизировать эффективность катода, он должен иметь высокую удельную поверхность и хорошую проводимость . Первоначально для изготовления катодов использовался активированный уголь, но для улучшения характеристик в ЛИЦ использовались другие катоды. Их можно разделить на четыре группы: углерод, легированный гетероатомами, на основе графена, пористый углерод и бифункциональные катоды.
Углерод, легированный гетероатомами, до сих пор легирован только азотом . Легирование активированного угля азотом улучшает как емкость, так и проводимость катода. [13] [14] [15]
Катоды на основе графена использовались потому, что графен обладает превосходной электропроводностью, его тонкие слои имеют высокую удельную поверхность и его можно производить дешево. Было показано, что он эффективен и стабилен по сравнению с другими катодными материалами. [16] [17]
Пористые углеродные катоды изготавливаются аналогично катодам из активированного угля. Используя различные методы производства углерода, его можно получить с более высокой пористостью. [1] Это полезно, поскольку для того, чтобы эффект двойного слоя сработал, ионы должны перемещаться между двойным слоем и сепаратором. Иерархическая структура пор делает это быстрее и проще.
В бифункциональных катодах используется комбинация материалов, используемых для их свойств EDLC, и материалов, используемых для их хорошего Li. + интеркаляционные свойства для увеличения плотности энергии ЛИЦ. [1] Похожая идея была применена к анодным материалам, свойства которых были слегка приближены к свойствам конденсатора.
Прелитиация (до допинга)
[ редактировать ]Анод LIC часто предварительно литиируют, чтобы предотвратить большое падение потенциала на аноде во время циклов зарядки и разрядки. Когда напряжение LIC приближается к максимальному или минимальному, электролит и электроды начинают разрушаться. Это приведет к необратимому повреждению устройства, а продукты деградации будут катализировать дальнейшую деградацию.
Другая причина предварительной литиации заключается в том, что электроды высокой емкости необратимо теряют емкость после начальных циклов зарядки и разрядки. В основном это связано с образованием межфазной пленки твердого электролита (SEI). Путем предварительного литиирования электродов можно в основном компенсировать потери ионов лития на образование SEI. Как правило, анод ЛИЦ предварительно литирован, поскольку катод не содержит лития и не участвует в процессах введения/вывода лития. [18]
Электролит
[ редактировать ]Третьей частью практически любого устройства накопления энергии является электролит. Электролит должен быть способен переносить электроны от одного электрода к другому, но он не должен ограничивать скорость реакции электрохимических частиц. Для ЛИЦ электролит в идеале имеет высокую ионную проводимость , чтобы ионы лития могли легко достигать анода. Обычно для этого используют водный электролит, но вода вступает в реакцию с ионами лития, поэтому часто используются неводные электролиты. Электролит, используемый в LIC, представляет собой раствор литий-ионной соли, который можно комбинировать с другими органическими компонентами и, как правило, идентичен тому, который используется в литий-ионных батареях .
Обычно используются органические электролиты, которые имеют более низкую электропроводность (от 10 до 60 мСм/см), чем водные электролиты (от 100 до 1000 мСм/см), но гораздо более стабильны. Часто циклические ( этиленкарбонат ) и линейные ( диметилкарбонат ) карбонаты добавляются для увеличения проводимости, и они даже повышают стабильность образования SEI. Последнее означает, что вероятность того, что большое количество SEI образуется после начальных циклов, меньше. Другой категорией электролитов являются неорганические стеклянные и керамические электролиты. О них не упоминают очень часто, но они имеют свое применение и имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с органическими электролитами, которые в основном связаны с их пористой структурой. [19]
Сепаратор предотвращает прямой электрический контакт между анодом и катодом. Он должен быть химически инертным, чтобы предотвратить реакцию с электролитом, которая снизит возможности LIC. Однако сепаратор должен пропускать ионы, но не образующиеся электроны, поскольку это приведет к короткому замыканию.
Характеристики
[ редактировать ]Типичными свойствами LIC являются
- высокая емкость по сравнению с конденсатором из-за большого анода, но низкая емкость по сравнению с литий-ионным элементом
- высокая плотность энергии по сравнению с конденсатором (сообщается 14 Вт⋅ч/кг). [20] ), хотя плотность энергии ниже, чем у литий-ионного элемента.
- высокая мощности плотность
- высокая надежность
- диапазон рабочих температур от −20 °C до 70 °C [21]
- низкий саморазряд (падение напряжения <5% при 25 °C в течение трех месяцев) [21]
Сравнение с другими технологиями
[ редактировать ]
Батареи , EDLC и LIC имеют разные сильные и слабые стороны, что делает их полезными для разных категорий применений. Устройства накопления энергии характеризуются тремя основными критериями: плотностью мощности (в Вт/кг), плотностью энергии (в Вт⋅ч/кг) и сроком службы (количество циклов зарядки).
LIC имеют более высокую плотность мощности, чем батареи, и более безопасны, чем литий-ионные батареи , в которых могут возникнуть термические реакции. По сравнению с электрическим двухслойным конденсатором ( EDLC ), LIC имеет более высокое выходное напряжение. Хотя они имеют одинаковую плотность мощности, LIC имеет гораздо более высокую плотность энергии, чем другие суперконденсаторы. График Рагона на рисунке 1 показывает, что LIC сочетают в себе высокую энергию LIB с высокой плотностью мощности EDLC.
Срок службы LIC намного лучше, чем у батарей, но не приближается к показателю EDLC. Некоторые LIC имеют более длительный срок службы, но часто это достигается за счет более низкой плотности энергии.
В заключение, LIC, вероятно, никогда не достигнет плотности энергии литий-ионной батареи и никогда не достигнет срока службы в комбинированном цикле и плотности мощности суперконденсатора. Поэтому ее следует рассматривать как отдельную технологию со своими собственными вариантами использования и применениями.
Приложения
[ редактировать ]Литий-ионные конденсаторы вполне подходят для применений, требующих высокой плотности энергии, высокой плотности мощности и превосходной долговечности. Поскольку они сочетают в себе высокую плотность энергии с высокой плотностью мощности, нет необходимости в дополнительных устройствах хранения электроэнергии в различных приложениях, что приводит к снижению затрат.
Потенциальные применения литий-ионных конденсаторов находятся, например, в системах генерации энергии ветром , системах источников бесперебойного питания (ИБП), провалов напряжения компенсации , производстве фотоэлектрической энергии, системах рекуперации энергии в промышленном оборудовании, электрических и гибридных транспортных средствах и транспорте. системы.
Одним из важных потенциальных направлений использования устройств HIC (гибридных ионных конденсаторов) является рекуперативное торможение. Сбор энергии рекуперативного торможения от поездов, тяжелых автомобилей и, в конечном счете, легковых автомобилей представляет собой огромный потенциальный рынок, который остается не полностью освоенным из-за ограничений существующих технологий вторичных батарей и суперконденсаторов (электрохимических конденсаторов и ультраконденсаторов). [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Джагадейл, Аджай; Чжоу, Сюань; Сюн, Руи; Дубаль, Дипак П.; Сюй, Цзюнь; Ян, Сен (май 2019 г.). «Литий-ионные конденсаторы (ЛИК): Разработка материалов» (PDF) . Материалы для хранения энергии . 19 : 314–329. Бибкод : 2019EneSM..19..314J . дои : 10.1016/j.ensm.2019.02.031 . S2CID 139348398 .
- ^ Протоколы ежегодного собрания Физического общества Японии (Иокогама) 31p-K-1, 1982, март.
- ^ Заявка на патент Японии № 56-92626, 1981 г.
- ^ Международная конференция по науке и технологии синтетических металлов, 1986 г., Киото.
- ^ Гленн Г. Аматуччи и др. 2001 J. Electrochem. Соц. 148 А930
- ^ Jump up to: а б Аджурия, Джон; Редондо, Эдурне; Арнаис, Мария; Мысик, Роман; Рохо, Теофило; Гойколеа, Гага (август 2017 г.). «Литий-ионные и натрий-ионные конденсаторы с высокой энергией и плотностью мощности на основе углерода из переработанных оливковых косточек». Журнал источников энергии . 359 : 17–26. Бибкод : 2017JPS...359...17A . дои : 10.1016/j.jpowsour.2017.04.107 .
- ^ Jump up to: а б с д Дин, Цзя; Ху, Вэньбинь; Пэк, Ынсу; Митлин, Дэвид (25 июля 2018 г.). «Обзор гибридных ионных конденсаторов: от водного к литию и натрию». Химические обзоры . 118 (14): 6457–6498. doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00116 . ПМИД 29953230 . S2CID 49600737 .
- ^ Сиваккумар, СР; Пандольфо, AG (20 марта 2012 г.). «Оценка литий-ионных конденсаторов, собранных с предварительно литированным графитовым анодом и катодом из активированного угля». Электрохимика Акта . 65 : 280–287. дои : 10.1016/j.electacta.2012.01.076 .
- ^ Наой, Кацухико; Ишимото, Шуичи; Исобе, Юсаку; Аояги, Синтаро (15 сентября 2010 г.). «Высокоскоростной нанокристаллический Li 4 Ti 5 O 12 , прикрепленный к углеродным нановолокнам, для гибридных суперконденсаторов». Журнал источников энергии . 195 (18): 6250–6254. Бибкод : 2010JPS...195.6250N . дои : 10.1016/j.jpowsour.2009.12.104 .
- ^ Шредер, М.; Зима, М.; Пассерини, С.; Бальдуччи, А. (сентябрь 2013 г.). «О циклической устойчивости литий-ионных конденсаторов, содержащих мягкий углерод в качестве анодного материала». Журнал источников энергии . 238 : 388–394. дои : 10.1016/j.jpowsour.2013.04.045 .
- ^ Шредер, М.; Менне, С.; Сегалини, Дж.; Сорел, Д.; Касас-Кабанас, М.; Пассерини, С.; Зима, М.; Бальдуччи, А. (ноябрь 2014 г.). «Соображения о влиянии структурных и электрохимических свойств углеродсодержащих материалов на поведение литий-ионных конденсаторов». Журнал источников энергии . 266 : 250–258. Бибкод : 2014JPS...266..250S . дои : 10.1016/j.jpowsour.2014.05.024 .
- ^ Аджурия, Джон; Арнаис, Мэри; Бутс, Кристина; Карриасо, Дэниел; Мысик, Роман; Красный, Теофил; Талызин Александр Владимирович; Гойколеа, Гага (сентябрь 2017 г.). «Литий-ионный конденсатор на основе графена с высокой весовой энергией и плотностью мощности». Журнал источников энергии . 363 : 422–427. Бибкод : 2017JPS...363..422A . дои : 10.1016/j.jpowsour.2017.07.096 .
- ^ Ян, Мэй; Чжун, Ижэнь; Рен, Цзинцзин; Чжоу, Сяньлун; Вэй, Цзиньпин; Чжоу, Чжэнь (23 июня 2015 г.). «Изготовление мощных литий-ионных гибридных суперконденсаторов путем улучшения хранения заряда на внешней поверхности» . Передовые энергетические материалы . 5 (17): 1500550. Бибкод : 2015AdEnM...500550Y . дои : 10.1002/aenm.201500550 . ISSN 1614-6832 . S2CID 93783565 .
- ^ Ши, Жуйин; Хан, Цюйпинг; Сюй, Сяофу; Цинь, Сяньин; Сюй, Лей; Ли, Хунфэй; Ли, Цзюньцинь; Вонг, Чинг-Пин; Ли, Баохуа (25 июня 2018 г.). «Иерархическое пористое углеродное нановолокно, легированное электропрядением N, с улучшенной степенью графитизации для высокопроизводительных литий-ионных конденсаторов» . Химия – Европейский журнал . 24 (41): 10460–10467. дои : 10.1002/chem.201801345 . ISSN 0947-6539 . ПМИД 29761568 . S2CID 46890766 .
- ^ Ли, Чен; Чжан, Сюн; Ван, Кай; Сунь, Сяньчжун; Ма, Янвэй (декабрь 2018 г.). «Мощные и долговечные литий-ионные конденсаторы, изготовленные из легированного N иерархического углеродного нанослоя катода и мезопористого графенового анода» . Карбон . 140 : 237–248. Бибкод : 2018Carbo.140..237L . doi : 10.1016/j.carbon.2018.08.044 . ISSN 0008-6223 . S2CID 105028246 .
- ^ Аравиндан, Ванчиаппан; Мхамане, Даттакумар; Линг, Вонг Чуй; Огале, Сатишчандра; Мадхави, Шринивасан (12 августа 2013 г.). «Неводные литий-ионные конденсаторы с высокой плотностью энергии с использованием нанолистов оксида графена с восстановленным триголом в качестве катодно-активного материала» . ChemSusChem . 6 (12): 2240–2244. Бибкод : 2013ЧСЧ...6.2240А . дои : 10.1002/cssc.201300465 . ISSN 1864-5631 . ПМИД 23939711 .
- ^ Чжан, Тэнфэй; Чжан, Фань; Чжан, Лонг; Лу, Яньхун; Чжан, И; Ян, Си; Ма, Яньфэн; Хуан, И (октябрь 2015 г.). «Литий-ионный конденсатор высокой плотности энергии в сборе со всеми электродами на основе графена» . Карбон . 92 : 106–118. Бибкод : 2015Carbo..92..106Z . doi : 10.1016/j.carbon.2015.03.032 . ISSN 0008-6223 .
- ^ Сюй, Наньшэн; Сунь, Сяньчжун; Цзинь, Синьфан; Хуан, Кевин; Янвэй (10 мая 2017 г.). Конденсаторы». Electrochimica Acta . 236 : 443–450. doi : 10.1016/j.electacta.2017.03.189 .
- ^ Назри, Голамаббас; Пистойя, Г. (2009). Литиевые батареи: наука и техника . Спрингер. ISBN 978-0-387-92675-9 . OCLC 883392364 . [ нужна страница ]
- ^ «ФДК начнет массовое производство литий-ионных конденсаторов большой емкости» . 4 января 2009 года . Проверено 23 июля 2010 г.
- ^ Jump up to: а б «Технические характеристики литий-ионного гибридного конденсатора ULTIMO» (PDF) . [ постоянная мертвая ссылка ]
- Татрари, Г.; Ахмед, М.; Шах, ФУ (2024). «Синтез, термоэлектрические и энергоаккумулирующие свойства композитов на основе оксидов переходных металлов». Обзоры координационной химии . 498 : 215470. doi : 10.1016/j.ccr.2023.215470 .
{{cite journal}}: CS1 maint: статус URL ( ссылка )
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Представляем литий-ионный конденсатор JM Energy , JM Energy
- Литий-ионный конденсатор JSR Micro