リチウムイオンコンデンサ、リチウムイオン電池、スーパーキャパシタの違い

新しいタイプのエネルギー貯蔵装置として、リチウムイオンコンデンサは、高い電力密度、高い静電容量、および長いサイクル寿命という利点を備えています。新エネルギー車、太陽エネルギー、風力エネルギーなどの分野で広く利用されることが期待されています。リチウムイオン電池やスーパーキャパシタとは動作が異なります。

1.リチウムイオン電池の動作原理

リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池とニッケル水素電池に次いで最も急速に発展している二次電池です。リチウムイオン電池の正極および負極の活物質はすべて、リチウムの内外に可逆的に埋め込むことができる化合物であり、その中で、遷移金属酸化物LiCoO2など、少なくとも1つの電極材料は組み立て前にリチウムが埋め込まれた状態にあります。正極としてLiNiO2、LiMn2O4、負極材料として各種炭素材料、金属酸化物、合金。

リチウムイオン電池の動作原理を図1に示します。負極はグラファイト、正極はLiCoO2です。充電すると、リチウムイオンはアノード材料から分離され、電気化学ポテンシャル勾配によって駆動される電解質を通って負極に移動します。電荷バランスでは、外部回路の正極から負極に等量の電子が流れる必要があります。負極に到達した後、電子を得るリチウムイオンが負極材料の格子に埋め込まれます。放電するとき、プロセスは反対方向に進みます。つまり、リチウムイオンは負極格子を離れ、正極を埋め込んで再びLiCoO2を形成します。

充電および放電プロセスの式は次のとおりです。

カソード反応：LiCoO2？ Li1-xCoO2 + + xLi + xe

否定的な反応：xLi ++ xe + nC？ LixCn

バッテリー応答：LiCoO2 + nC？ Li1-xCoO2 + LixCn

酸化に加えてリチウムイオン電池の動作原理-還元、これも電気化学的に埋め込まれたものに基づく-出現応答、すなわち充電および放電プロセスにおけるリチウムイオン電池、イオンの形のエネルギーとしてのリチウム（Li +）キャリアの交換、電解質を介した、埋め込まれたリチウムイオンの使用と出現、間のスイングは負であり、エネルギー交換の目標を達成します。リチウムイオン電池は、他の電池と比較して、高エネルギー密度、高平均出力電圧、高充電効率、低自己放電効率、優れた安全性能、サイクル、長寿命という利点があります。

2.スーパーキャパシタの動作原理

充電中、電子は外部電源を介して正極から負極に移動するため、正極と負極はそれぞれ正と負に帯電します。一方、電解液本体の正イオンと負イオンは分離されて電極表面と電極表面の電荷層に移動し、向かい合って二重層を形成します。放電すると、負荷を介して電子が負極から正極に流れ、正極と負極が電極表面から放出されて電解液本体に戻り、同時に二重層が消失します。電気二重層コンデンサは、電荷を蓄積するために電極と電解質の界面の二重層を使用していることがわかります。充放電プロセスは常に電気化学反応のない物理的プロセスであるため、安定した性能、短い充放電時間、長いサイクル寿命、高い電力密度、高温および低温での良好な性能などの利点があります。

3.リチウムイオンコンデンサの動作原理

正極材料は電気二重層エネルギー貯蔵を備えた活性炭材料であり、負極材料はリチウムイオンロック解除機能を備えた挿入炭素材料であり、電解質はリチウム塩電解質である。バッテリーが充電されると、リチウムイオンはアノード材料の表面から分離され、電解質と膜を通過した後、アノード材料の格子に挿入されます。放電すると、リチウムイオンは負極材料の格子から出て、電解質を通って正極材料の表面に戻り、正極の電荷で二重層を形成します。リチウム注入後の負極電位は低く、リチウムイオン電池とスーパーキャパシタ間の高い使用電圧、高いエネルギー密度、電力密度の特徴があります。

4.リチウムイオン電池およびスーパーキャパシタに対するリチウムイオンキャパシタの利点

（1）容量、電圧、自己放電の比較

リチウムイオンコンデンサのエネルギー密度はリチウムイオン電池のエネルギー密度よりも低いですが、出力密度は高くなっています。モノマー体積のエネルギー密度は10〜15Wh / Lであり、2層コンデンサの2〜8Wh / Lの容量よりもはるかに大きく、後者の2倍です。

電圧に関しては、リチウムイオンコンデンサの最大電圧は4Vに達する可能性があります。これは、リチウムイオンバッテリの最大電圧と似ていますが、2層コンデンサよりもはるかに高く、自己放電の点では両方よりも小さくなっています。 。

（2）セキュリティ

リチウムイオン電池の正極は酸化リチウムでできており、リチウムデンドライトを形成して膜を貫通する可能性のあるリチウムを大量に含むだけでなく、点火の重要な要素である酸素も含んでいます。バッテリーが全体の熱分解のために短絡する可能性があり、電解質との反応が燃焼を引き起こす可能性があります。しかし、リチウムイオンコンデンサの正極は活性炭であり、内部短絡が負極と反応するが電解質とは反応しない場合でも、理論的にはリチウム電池よりもはるかに安全です。

（3）長寿命

リチウムイオン電池は、長寿命を実現するために、充電・放電深度に一定の範囲制限があり、本質的に使用できる容量が少なくなっています。二層コンデンサの充放電原理は、電解液中のイオンを吸収または除去するだけで長寿命であり、実際の寿命を延ばすことは困難です。ただし、リチウムイオンキャパシタのカソード電位を下げても、ユニット自体の電圧が大幅に低下することはないため、容量を保証することができます。

（4）耐熱性

高温の条件下では、電解液と正極は酸化と分解を起こしやすいです。したがって、高温条件下では正極電位を下げる必要がある場合があります。しかし、リチウムイオン電池は電圧を下げることができず、安全性の問題を簡単に生み出すことができます。酸化分解領域から離れた正極電位にはリチウムイオンキャパシタしか使用できないため、高温性能に優れています。

5.リチウムイオンキャパシタの応用と工業化の状況

リチウムイオンコンデンサー産業の上流には、主にアノードとカソードの原材料、電解質、ダイヤフラム、穴あきコレクター流体、単純な金属リチウム電極などが含まれます。中流域には、主にさまざまな形状と仕様のリチウムイオンコンデンサーモノマー、およびリチウムイオンコンデンサーが含まれます。モノマーシステム統合モジュール;下流は主に端末市場のアプリケーション需要です。現在、日本市場は当初開放されており、風力発電、LED街路灯、太陽光発電、ハイブリッド電気自動車などの国際市場に普及していきます。

現在、これらの産業は主に外国企業によって管理されています。たとえば、JapancolorieとJapanACTは、それぞれ活性炭とナノカーボン技術を習得しています。日本のカネボウ社、日本のクレハケミカル、日本のATEC社など。米国のFERROとドイツのHONEYWELLが電解質業界を支配しています。膜は日本のNKKによって独占され、多孔質収集液は日本の3つの金属会社によって独占されました。現在、中国ではリチウムイオンコンデンサ用の正の活性炭と負の硬質炭素材料を開発している企業はごくわずかです。

参照：

元メイロン、ワンチェン、シューヨンジン他リチウムイオンコンデンサの研究の進歩[J]。マテリアルガイド、2013、27（21）：140-149。

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