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锂离子超级电容器工作原理及电极材料简介

2018-6-19 
        锂离子电池具有工作电压高、比能量大、寿命长、自放电特性低、绿色低碳等优势,但其功率密度、低温特性、安全性、循环寿命有待进一步提高;超级电容器功率密度大、循环寿命长、充放电效率高、温度适应能力强,但成本高、自放电率高、能量密度相对较低。而锂离子超级电容器将超级电容器和锂离子电池融合在一个体系内,实现了化学特性的互补。本文将对锂离子超级电容器进行简单的介绍。
锂离子超级电容的工作原理
        锂离子超级电容包含超级电容器、锂离子电池电极材料,大多采用含锂盐(如LiPF6)有机电解液。根据锂源的提供者及相应反应机理的不同,其机制包括电解质供锂机制、电极供锂机制及混合机制[1]。
(1)电解质供锂机制——由电解质电解提供充放电反应所用的锂离子,通常正极为超级电容器所用电容活性材料,负极为锂脱嵌化合物或金属氧化物,电解液为含锂盐的有机溶液。充电时,电解质发生电解,阴离子向正极移动,电解液与电极接触面形成双电层储存电荷,锂离子向负极移动,发生嵌入或氧化还原反应;放电时,负极材料中的锂脱嵌或者发生逆反应回到电解液中,同时正极释放吸附的阴离子,达到电解液电荷的平衡。
(2) 电极供锂机制——类似于锂离子电池的反应,通常正极为锂的化合物,负极为电容活性材料,充电时锂离子由氧化还原反应从正极脱出进入电解液后向负极移动在电极与电解液接触面形成双电层;放电时,发生逆反应。
(3)混合机制——锂离子由电解质、电极提供,其中电容器的一极或两极既包含电池材料又包含电容材料。
锂离子超级电容的电极材料
表1. 锂离子超级电容器电极材料
 
材料
特点
负极
嵌锂型含钛化合物(Li4Ti5O12、LiCrTiO4、LiTi2(PO4)3、LiTi1.5Zr0.5(PO4)3等)
在充放电过程中体积形变几乎为零,具有优异的高倍率性能和循环稳定性;但是电子电导率和锂离子迁移率较低,在短时间的充放电反应中,很难实现锂离子的完全脱嵌,能量密度有待提高。
碳(石墨、硬碳、软碳)
3D结构为锂离子提供了嵌入/脱嵌通道,具有较高的能量密度;但是材料较为昂贵,制备过程复杂,生产成本高,低温下容易形成锂枝晶,尚未实现广泛应用。
过渡金属氧、硫化物、双金属氧化物及复合材料
具有较高的能量密度;电导率较低,电解液浸润度低,循环特性不理想
正极
锂过渡金属氧化物,如LiMn2O4、Li2Mn4O9、Li4Mn5O12
工作电压较低,对环境友好,经济性高
石墨烯复合正极
可获得接近锂离子电池的能量密度,可提高电解液的浸润度,提升循环性能。
 
        锂离子超级电容比常规电容器能量密度大,比锂离子电池功率密度高,具有良好的发展前景,有望应用于电动汽车、电气设备、军事和航空航天设施等高能量大功率型的电子产品领域。
参考文献
[1] 刘云鹏,李雪,韩颖慧,等。锂离子超级电容器电极材料研究进展。高电压技术,2018,doi:10.13336/j.1003-6520.hve.20180329013.
相关链接:LiPF6
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑