Lithium-iontový kondenzátor - Lithium-ion capacitor

Jednostranné lithium-iontové kondenzátory do 200 F pro montáž na PCB
Lithium-iontový kondenzátor
Specifická energie11–14 Wh /kg[je nutné ověření ]
Hustota energie19–25 Wh / l[je nutné ověření ]
Měrný výkon160–2800 W / kg[je nutné ověření ]
Účinnost nabíjení / vybíjení95%[je nutné ověření ]
Rychlost samovybíjení<5% za měsíc (v závislosti na teplotě)
Životnost cyklu>10,000[je nutné ověření ]
Jmenovité napětí článku2,2–3,8 V[je nutné ověření ]

A lithium-iontový kondenzátor (LIC) je hybridní typ kondenzátor klasifikován jako typ superkapacitor. Aktivováno uhlík se obvykle používá jako katoda. The anoda LIC sestává z uhlíkového materiálu, který je předem dotován lithium ionty. Tento předdopovací proces snižuje potenciál anody a umožňuje relativně vysoký výkon Napětí ve srovnání s jinými superkondenzátory.

Dějiny

V roce 1981 vytvořil Dr. Yamabe z Kjótské univerzity ve spolupráci s Dr. Yatou z Kanebo Co. materiál známý jako PAS (polyacenic semiconductive) pyrolyzováním fenolové pryskyřice při 400–700 ° C.[1] Tento amorfní uhlíkatý materiál funguje dobře jako elektroda v dobíjecích zařízeních s vysokou hustotou energie. Patenty byly podány na začátku 80. let společností Kanebo Co.,[2] a úsilí o komercializaci PAS kondenzátory a začaly lithium-iontové kondenzátory (LIC). Kondenzátor PAS byl poprvé použit v roce 1986,[3] a kondenzátor LIC v roce 1991.

Pojem

Hierarchická klasifikace superkondenzátorů a souvisejících typů

Lithium-iontový kondenzátor je hybridní elektrochemické zařízení pro skladování energie, které kombinuje interkalace mechanismus a lithium-iontová baterie anoda s dvouvrstvým mechanismem katoda elektrického dvouvrstvého kondenzátoru (EDLC ). Balená hustota energie LIC je přibližně 20 Wh / kg, zhruba čtyřikrát vyšší než EDLC a pětkrát nižší než lithium-iontová baterie. Ukázalo se však, že hustota výkonu odpovídá hustotě EDLC, protože je schopna se během několika sekund zcela vybít.[4] Na záporné elektrodě (katodě), pro kterou aktivní uhlí je často používán, poplatky jsou uloženy v elektrická dvojitá vrstva který se vyvíjí na rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem.

Kladná elektroda (anoda ) byl původně vyroben z oxid titaničitý lithný, ale nyní se běžněji vyrábí z grafitový uhlík maximalizovat hustotu energie. Potenciál grafitové elektrody zpočátku na -0,1PROTI versus SHE (standardní vodíková elektroda) je dále snížena na -2,8 V pomocí interkalačních iontů lithia. Tento krok se označuje jako „doping“ a často probíhá v zařízení mezi anodou a obětovanou lithiovou elektrodou. Proces předdopování je pro fungování zařízení zásadní, protože může významně ovlivnit vývoj vrstvy pevné elektrolytové mezifáze (SEI). Dopování anody snižuje potenciál anody a vede k vyššímu výstupnímu napětí kondenzátoru. Typicky jsou výstupní napětí pro LIC v rozmezí 3,8–4,0 V, ale jsou omezena na minimální povolené napětí 1,8–2,2 V. Pokud poklesne napětí nižší než tyto lithiové ionty, dojde k deintercalaci rychleji, než je možné je obnovit při běžném používání . Stejně jako EDLC se napětí LIC lineárně mění, což zvyšuje komplikace s jejich integrací do systémů, které mají výkonovou elektroniku a které očekávají stabilnější napětí baterií. V důsledku toho mají LIC vysokou hustotu energie, která se mění s druhou mocninou napětí. Kapacita anody je o několik řádů větší než kapacita katody. Výsledkem je, že změna anodového potenciálu během nabíjení a vybíjení je mnohem menší než změna katodového potenciálu.

Další kandidátské anodové materiály jsou zkoumány jako alternativa ke grafitovým uhlíkům,[5] jako je tvrdý uhlík,[6][7][8] uhlíky na bázi grafenu na bázi měkkého uhlíku.[9] Očekávaným přínosem ve srovnání s grafitovými uhlíky je zvýšení potenciálu dotované elektrody, zlepšení schopnosti výkonu a bezpečnosti, pokud jde o pokovování.

Elektrolyt používaný v LIC je lithium-iontový solný roztok, který lze kombinovat s jinými organickými složkami a je obecně identický s tím, který se používá v lithium-iontových bateriích.

Separátor brání přímému elektrickému kontaktu mezi anodou a katodou.

Vlastnosti

Typické vlastnosti LIC jsou

  • vysoká kapacita ve srovnání s kondenzátorem kvůli velké anodě, i když nízká kapacita ve srovnání s Li-ionovým článkem
  • vysoká hustota energie ve srovnání s kondenzátorem (14 Wh / kg)[10]), i když ve srovnání s Li-ionovým článkem má nízkou hustotu energie
  • vysoký Napájení hustota
  • vysoká spolehlivost
  • provozní teploty v rozmezí od -20 ° C do 70 ° C[11]
  • nízké samovybíjení (<5% pokles napětí při 25 ° C po dobu tří měsíců)[11]

Srovnání s jinými technologiemi

Ragoneův graf porovnávající LIC s jinými technologiemi

Baterie, EDLC a LIC mají různé silné a slabé stránky, takže jsou užitečné pro různé kategorie aplikací. LIC mají vyšší hustotu energie než baterie a jsou bezpečnější než lithium-iontové baterie, ve kterém tepelný útěk Mohou nastat reakce. Ve srovnání s elektrickým dvouvrstvým kondenzátorem (EDLC ), LIC má vyšší výstupní napětí. I když mají podobné výkonové hustoty, LIC má mnohem vyšší hustota energie než ostatní superkondenzátory.

The Ragone spiknutí na obrázku 1 ukazuje, že LIC kombinují vysokou energii LIB s vysokou hustotou výkonu EDLC.

Životní cyklus LIC je mnohem lepší než baterie a je podobný EDLC.

Aplikace

Lithium-iontové kondenzátory jsou docela vhodné pro aplikace, které vyžadují vysokou hustotu energie, vysokou hustotu výkonu a vynikající životnost. Protože kombinují vysokou hustotu energie s vysokou hustotou výkonu, není potřeba dalších elektrických paměťových zařízení v různých druzích aplikací, což má za následek snížení nákladů.

Potenciální aplikace lithium-iontových kondenzátorů jsou například v oblastech síla větru generační systémy, nepřerušitelný zdroj energie systémy (UPS), pokles napětí kompenzace, fotovoltaické výroba energie, systémy rekuperace energie v průmyslových strojích a dopravní systémy.

Reference

  1. ^ Sborník Výroční zasedání Fyzické společnosti Japonska (Jokohama) 31p-K-1, 1982, březen
  2. ^ Japonská patentová přihláška č. 56-92626,1981
  3. ^ Mezinárodní konference o vědě a technologii syntetických kovů 1986, Kjóto
  4. ^ Sivakkumar, S.R .; Pandolfo, A.G. (20. března 2012). „Hodnocení lithium-iontových kondenzátorů smontovaných s předlitiovanou grafitovou anodou a katodou z aktivního uhlí“. Electrochimica Acta. 65: 280–287. doi:10.1016 / j.electacta.2012.01.076.
  5. ^ Ding, Jia; Hu, Wenbin; Paek, Eunsu; Mitlin, David (28. června 2018). "Přehled hybridních iontových kondenzátorů: od vodného přes lithiové až po sodné". Chemické recenze. 118 (14): 6457–6498. doi:10.1021 / acs.chemrev.8b00116. ISSN  0009-2665. PMID  29953230.
  6. ^ Ajuria, Jon; Redondo, Edurne; Arnaiz, Maria; Mysyk, Roman; Rojo, Teófilo; Goikolea, Eider (4. srpna 2017). „Lithiové a sodíkové iontové kondenzátory s vysokou hustotou energie a energie na bázi uhlíku z recyklovaných olivových jám“. Journal of Power Sources. 359: 17–26. Bibcode:2017JPS ... 359 ... 17A. doi:10.1016 / j.jpowsour.2017.04.107. ISSN  0378-7753.
  7. ^ Schroeder, M .; Winter, M .; Passerini, S .; Balducci, A. (3. září 2013). „O cyklické stabilitě lithium-iontových kondenzátorů obsahujících měkký uhlík jako anodický materiál“. Journal of Power Sources. 238: 388–394. doi:10.1016 / j.jpowsour.2013.04.045. ISSN  0378-7753.
  8. ^ Schroeder, M .; Menne, S .; Ségalini, J .; Saurel, D .; Casas-Cabanas, M .; Passerini, S .; Winter, M .; Balducci, A. (2. listopadu 2014). „Úvahy o vlivu strukturních a elektrochemických vlastností uhlíkatých materiálů na chování lithium-iontových kondenzátorů“. Journal of Power Sources. 266: 250–258. Bibcode:2014JPS ... 266..250S. doi:10.1016 / j.jpowsour.2014.05.024. ISSN  0378-7753.
  9. ^ Ajuria, Jon; Arnaiz, Maria; Botas, Cristina; Carriazo, Daniel; Mysyk, Roman; Rojo, Teofilo; Talyzin, Alexandr V .; Goikolea, Eider (1. září 2017). „Lithium-iontový kondenzátor na bázi grafenu s vysokou gravimetrickou energií a hustotou energie“. Journal of Power Sources. 363: 422–427. Bibcode:2017JPS ... 363..422A. doi:10.1016 / j.jpowsour.2017.07.096. ISSN  0378-7753.
  10. ^ "FDK zahájí masovou výrobu vysokokapacitních Li-Ion kondenzátorů". 4. ledna 2009. Citováno 23. července 2010.
  11. ^ A b „Specifikační list ULTIMO Li-ion hybridního kondenzátoru“ (PDF).[mrtvý odkaz ]

externí odkazy