Kondensator litowo-jonowy

Kondensator litowo-jonowy

Jednostronne kondensatory litowo-jonowe do 200 F do montażu na płytce drukowanej
Specyficzna energia	19–262 Wh /kg
Gęstość energii	19–25 Wh/L
Konkretna moc	300–156000 W/kg
Wydajność ładowania/rozładowania	95%
Szybkość samorozładowania	< 5% miesięcznie (w zależności od temperatury)
Trwałość cyklu	100-75 000 ponad 90%
Nominalne napięcie ogniwa	1,5–4,5 V

Kondensator litowo-jonowy ( LIC lub LiC ) to hybrydowy typ kondensatora sklasyfikowany jako rodzaj superkondensatora . Nazywa się to hybrydą, ponieważ anoda jest taka sama jak w bateriach litowo-jonowych, a katoda jest taka sama jak w superkondensatorach. Węgiel aktywny jest zwykle używany jako katoda . Anoda LIC składa się z materiału węglowego, który często jest wstępnie domieszkowany litem jony. Ten proces wstępnego domieszkowania obniża potencjał anody i pozwala na stosunkowo wysokie napięcie wyjściowe w porównaniu z innymi superkondensatorami.

Historia

W 1981 r. dr Yamabe z Uniwersytetu w Kioto we współpracy z dr Yatą z Kanebo Co. stworzył materiał znany jako PAS (poliacenowy półprzewodnik) poprzez pirolizę żywicy fenolowej w temperaturze 400–700 ° C. Ten amorficzny materiał węglowy dobrze sprawdza się jako elektroda w urządzeniach ładowalnych o dużej gęstości energii. Na początku lat 80. firma Kanebo Co. złożyła patenty i rozpoczęły się starania o komercjalizację kondensatorów PAS i kondensatorów litowo-jonowych (LIC). Kondensator PAS został po raz pierwszy użyty w 1986 roku, a kondensator LIC w 1991 roku.

Dopiero w 2001 roku grupie badawczej udało się zrealizować pomysł hybrydowego kondensatora jonowego. Przeprowadzono wiele badań w celu poprawy wydajności elektrody i elektrolitu oraz żywotności cyklu, ale dopiero w 2010 roku Naoi i in. dokonał prawdziwego przełomu, opracowując nanostrukturalny kompozyt LTO (tlenku litowo-tytanowego) z nanowłókien węglowych . Obecnie kolejnym obszarem zainteresowania są kondensatory sodowo-jonowe (NIC), ponieważ sód jest znacznie tańszy niż lit. Niemniej jednak LIC nadal przewyższa NIC, więc w tej chwili nie jest to ekonomicznie opłacalne.

Pojęcie

Hierarchiczna klasyfikacja superkondensatorów i typów pokrewnych

Kondensator litowo-jonowy to hybrydowe elektrochemiczne urządzenie do magazynowania energii, które łączy mechanizm interkalacji anody akumulatora litowo-jonowego z dwuwarstwowym mechanizmem katody elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego ( EDLC ). Połączenie ujemnej elektrody LTO typu baterii i dodatniego kondensatora z węglem aktywnym (AC) dało gęstość energii ok. 20 Wh/kg, czyli około 4–5 razy więcej niż w przypadku standardowego elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego (EDLC). Wykazano jednak, że gęstość mocy odpowiada gęstości EDLC, ponieważ jest w stanie całkowicie rozładować się w ciągu kilku sekund.

Na elektrodzie ujemnej (anodzie), do której często stosuje się węgiel aktywny , ładunki gromadzą się w podwójnej warstwie elektrycznej , która powstaje na granicy faz między elektrodą a elektrolitem. Podobnie jak EDLC, napięcia LIC zmieniają się liniowo, co dodatkowo komplikuje ich integrację z systemami wyposażonymi w energoelektronikę, które oczekują bardziej stabilnego napięcia akumulatorów. W konsekwencji LIC mają wysoką gęstość energii, która zmienia się wraz z kwadratem napięcia. Pojemność anody jest o kilka rzędów wielkości większa niż pojemność katody. W rezultacie zmiana potencjału anody podczas ładowania i rozładowania jest znacznie mniejsza niż zmiana potencjału katody.

Anoda

Elektroda ujemna lub anoda LIC to elektroda typu baterii lub elektroda o dużej gęstości energii. Anodę można naładować tak, aby zawierała duże ilości energii poprzez odwracalną interkalację jonów litu. Proces ten jest reakcją elektrochemiczną. To jest powód, dla którego degradacja jest większym problemem dla anody niż dla katody, ponieważ katoda bierze udział w elektrostatycznym , a nie elektrochemicznym .

Istnieją dwie grupy anod. Pierwsza grupa to hybrydy substancji aktywnych elektrochemicznie i materiałów węglowych. Drugą grupę stanowią nanostrukturalne materiały anodowe. Anoda LIC jest w zasadzie materiałem baterii typu interkalacyjnego, który ma powolną kinetykę . Aby jednak zastosować anodę w LIC, należy nieco pochylić ich właściwości w kierunku kondensatora, projektując hybrydowe materiały anodowe. Materiały hybrydowe można przygotować przy użyciu mechanizmów przechowywania kondensatorów i baterii. Obecnie najlepszym gatunkiem elektrochemicznym jest tlenek litu i tytanu (LTO), ²
Li4Ti5O12 , ze względu na swoje niezwykłe właściwości, takie jak wysoka sprawność kulombowska , stabilne plateau napięcia roboczego i nieznaczna zmiana objętości podczas wstawiania / opuszczania litu. Bare LTO ma słabą przewodność elektryczną i dyfuzyjność litowo-jonową , więc potrzebna jest hybryda. Zalety LTO w połączeniu z doskonałym przewodnictwem elektrycznym i dyfuzyjnością jonową materiałów węglowych, takich jak powłoki węglowe, prowadzą do ekonomicznie opłacalnych LIC.

Potencjał elektrody LTO jest dość stabilny na poziomie około -1,5 V w porównaniu z Li/Li ⁺ . Ponieważ używany jest materiał węglowy, potencjał elektrody grafitowej, który początkowo wynosi -0,1 V w porównaniu z SHE (standardowa elektroda wodorowa), jest dalej obniżany do -2,8 V przez interkalację jonów litu. Etap ten nazywany jest „domieszkowaniem” i często odbywa się w urządzeniu między anodą a protektorową elektrodą litową. Domieszkowanie anody obniża potencjał anody i prowadzi do wyższego napięcia wyjściowego kondensatora. Zazwyczaj napięcia wyjściowe dla LIC mieszczą się w zakresie 3,8–4,0 V, ale są ograniczone do minimalnych dozwolonych napięć 1,8–2,2 V.

Materiały nanostrukturalne to tlenki metali o dużej powierzchni właściwej. Ich główną zaletą jest to, że jest to sposób na zwiększenie szybkości anody poprzez zmniejszenie dróg dyfuzji gatunków elektrolitycznych. Opracowano różne formy nanostruktur, w tym nanorurki (jedno- i wielościenne), nanocząstki, nanoprzewody i nanokulki w celu zwiększenia gęstości mocy.

Badani są inni kandydaci na materiały anodowe jako alternatywy dla węgli grafitowych, tacy jak węgiel twardy, węgiel miękki i węgiel na bazie grafenu. Oczekiwaną korzyścią, w porównaniu z węglem grafitowym, jest zwiększenie potencjału elektrody domieszkowanej, co prowadzi do poprawy wydajności energetycznej, a także zmniejszenia ryzyka metalizacji (litowej) powłoki na anodzie.

Katoda

Katoda LIC wykorzystuje podwójną warstwę elektryczną do magazynowania energii. Aby zmaksymalizować skuteczność katody, powinna ona mieć dużą powierzchnię właściwą i dobrą przewodność . Początkowo do produkcji katod używano węgla aktywnego, ale w celu poprawy wydajności w LIC zastosowano różne katody. Można je podzielić na cztery grupy: katody węglowe domieszkowane heteroatomami, oparte na grafenie, węgiel porowaty i katody dwufunkcyjne.

Węgiel domieszkowany heteroatomem był jak dotąd domieszkowany tylko azotem . Domieszkowanie węgla aktywnego azotem poprawia zarówno pojemność, jak i przewodność katody.

Zastosowano katody na bazie grafenu, ponieważ grafen ma doskonałe przewodnictwo elektryczne, jego cienkie warstwy mają dużą powierzchnię właściwą i można go tanio wytwarzać. Wykazano, że jest skuteczny i stabilny w porównaniu z innymi materiałami katodowymi.

Porowate katody węglowe są wykonane podobnie do katod z węglem aktywnym. Stosując różne metody produkcji węgla, można go uzyskać o większej porowatości. Jest to przydatne, ponieważ aby zadziałał efekt podwójnej warstwy, jony muszą przemieszczać się między podwójną warstwą a separatorem. Posiadanie hierarchicznej struktury porów sprawia, że ​​jest to szybsze i łatwiejsze.

Dwufunkcyjne katody wykorzystują kombinację materiałów stosowanych ze względu na ich właściwości EDLC i materiałów stosowanych ze względu na ich dobre właściwości interkalacyjne Li ⁺ w celu zwiększenia gęstości energii LIC. Podobny pomysł zastosowano do materiałów anodowych, gdzie ich właściwości były nieco pochylone w stosunku do właściwości kondensatora

Wstępne litowanie (wstępne dopingowanie)

Anoda LIC jest często wstępnie litowana, aby zapobiec dużemu spadkowi potencjału anody podczas cykli ładowania i rozładowania. Kiedy LIC zbliża się do maksymalnego lub minimalnego napięcia, elektrolit i elektrody zaczynają się degradować. Spowoduje to nieodwracalne uszkodzenie urządzenia, a produkty degradacji będą katalizować dalszą degradację.

Innym powodem wstępnego litowania jest to, że elektrody o dużej pojemności nieodwracalnie tracą pojemność po początkowych cyklach ładowania i rozładowania. Jest to głównie przypisywane tworzeniu się filmu międzyfazowego stałego elektrolitu (SEI). Poprzez wstępne litowanie elektrod można głównie skompensować utratę jonów litu do tworzenia SEI. Ogólnie rzecz biorąc, anoda LIC jest wstępnie litowana, ponieważ katoda jest wolna od Li i nie bierze udziału w procesach wstawiania/opuszczania litu.

Elektrolit

Trzecią częścią prawie każdego urządzenia do magazynowania energii jest elektrolit. Elektrolit musi być w stanie przenosić elektrony z jednej elektrody na drugą, ale nie może ograniczać gatunków elektrochemicznych w szybkości reakcji. W przypadku LIC elektrolit idealnie ma wysoką przewodność jonową, dzięki czemu jony litu mogą łatwo dotrzeć do anody. Zwykle do osiągnięcia tego celu używa się wodnego elektrolitu, ale woda reaguje z jonami litu, dlatego często stosuje się elektrolity niewodne. Elektrolit stosowany w LIC jest roztworem soli litowo-jonowej, który można łączyć z innymi składnikami organicznymi i zasadniczo jest identyczny z elektrolitem stosowanym w akumulatory litowo-jonowe .

Na ogół stosuje się elektrolity organiczne, które mają niższą przewodność elektryczną (10 do 60 mS/cm) niż elektrolity wodne (100 do 1000 mS/cm), ale są znacznie bardziej stabilne. Często dodaje się węglany liniowe ( węglan etylenu ) i cykliczne ( węglan dimetylu ) w celu zwiększenia przewodności, a nawet zwiększają stabilność tworzenia SEI. Gdzie to drugie oznacza, że ​​istnieje mniejsze prawdopodobieństwo, że po początkowych cyklach powstanie dużo SEI. Kolejną kategorią elektrolitów są nieorganiczne elektrolity szklane i ceramiczne. Nie wspomina się o nich zbyt często, ale mają swoje zastosowania i mają swoje zalety i wady w porównaniu z elektrolitami organicznymi, co wynika głównie z ich porowatej struktury.

Separator zapobiega bezpośredniemu kontaktowi elektrycznemu między anodą a katodą. Musi być chemicznie obojętny, aby zapobiec jego reakcji z elektrolitem, co obniży możliwości LIC. Jednak separator powinien przepuszczać jony, ale nie elektrony, które powstają, ponieważ spowodowałoby to zwarcie.

Nieruchomości

Typowe właściwości LIC to

• duża pojemność w porównaniu do kondensatora, ze względu na dużą anodę, choć mała pojemność w porównaniu z ogniwem litowo-jonowym
• wysoka gęstość energii w porównaniu z kondensatorem (zgłoszono 14 Wh/kg), choć niska gęstość energii w porównaniu z ogniwem litowo-jonowym
• wysoka gęstość mocy
• wysoka niezawodność
• temperatury pracy w zakresie od -20°C do 70°C
• niskie samorozładowanie (<5% spadek napięcia przy 25°C przez trzy miesiące)

Porównanie z innymi technologiami

Wykres Ragone porównujący LIC z innymi technologiami

Baterie , EDLC i LIC mają różne mocne i słabe strony, co czyni je przydatnymi w różnych kategoriach zastosowań. Urządzenia do magazynowania energii charakteryzują się trzema głównymi kryteriami: gęstością mocy (w W/kg), gęstością energii (w Wh/kg) oraz cyklem życia (liczba cykli ładowania).

LIC mają większą gęstość mocy niż akumulatory i są bezpieczniejsze niż akumulatory litowo-jonowe , w których mogą wystąpić reakcje niekontrolowanej temperatury . W porównaniu z elektrycznym kondensatorem dwuwarstwowym (EDLC ), LIC ma wyższe napięcie wyjściowe. Chociaż mają podobne gęstości mocy, LIC ma znacznie wyższą gęstość energii niż inne superkondensatory. Wykres Ragone na rysunku 1 pokazuje, że LIC łączą wysoką energię LIB z dużą gęstością mocy EDLC.

Wydajność cyklu życia LIC jest znacznie lepsza niż baterii, ale nie jest zbliżona do EDLC. Niektóre LIC mają dłuższy cykl życia, ale często odbywa się to kosztem niższej gęstości energii.

Podsumowując, LIC prawdopodobnie nigdy nie osiągnie gęstości energii baterii litowo-jonowej i nigdy nie osiągnie cyklu życia i gęstości mocy superkondensatora. Dlatego należy ją postrzegać jako odrębną technologię z własnymi zastosowaniami i zastosowaniami.

Aplikacje

Kondensatory litowo-jonowe są dość odpowiednie do zastosowań wymagających dużej gęstości energii, dużej gęstości mocy i doskonałej trwałości. Ponieważ łączą one wysoką gęstość energii z dużą gęstością mocy, nie ma potrzeby stosowania dodatkowych elektrycznych urządzeń magazynujących w różnego rodzaju zastosowaniach, co skutkuje obniżeniem kosztów.

Potencjalne zastosowania kondensatorów litowo-jonowych to na przykład systemy wytwarzania energii wiatrowej , systemy bezprzerwowego źródła zasilania (UPS), kompensacja spadku napięcia , wytwarzanie energii fotowoltaicznej , systemy odzyskiwania energii w maszynach przemysłowych, pojazdach elektrycznych i hybrydowych oraz transporcie systemy.

Jednym z ważnych potencjalnych zastosowań końcowych urządzeń HIC (hybrydowych kondensatorów jonowych) jest hamowanie regeneracyjne. Pozyskiwanie energii hamowania regeneracyjnego z pociągów, ciężkich samochodów i ostatecznie lekkich pojazdów stanowi ogromny potencjał rynku, który nie jest w pełni wykorzystywany ze względu na ograniczenia istniejących technologii baterii wtórnych i superkondensatorów (kondensatorów elektrochemicznych i ultrakondensatorów).

Linki zewnętrzne

• Przedstawiamy kondensator litowo-jonowy JM Energy , JM Energy
• Kondensator litowo-jonowy , JSR Micro