Litiumjonkondensator

Litiumjonkondensator

Enkeländade litiumjonkondensatorer upp till 200 F för PCB-montage
Specifik energi	19–262 Wh /kg
Energi densitet	19–25 Wh/L
Specifik kraft	300–156000 W/kg
Laddnings-/urladdningseffektivitet	95 %
Självurladdningshastighet	< 5 % per månad (temperaturberoende)
Cykelns hållbarhet	100-75 000 över 90 %
Nominell cellspänning	1,5–4,5 V

En litiumjonkondensator ( LIC eller LiC ) är en hybridtyp av kondensator som klassificeras som en typ av superkondensator . Det kallas en hybrid eftersom anoden är densamma som de som används i litiumjonbatterier och katoden är densamma som de som används i superkondensatorer. Aktivt kol används vanligtvis som katod . Anoden på LIC består av kolmaterial som ofta är fördopat med litiumjoner . Denna fördopningsprocess sänker anodens potential och tillåter en relativt hög utspänning jämfört med andra superkondensatorer.

Historia

1981 skapade Dr Yamabe från Kyoto University, i samarbete med Dr Yata från Kanebo Co., ett material känt som PAS (polyacenic semiconductive) genom att pyrolysera fenolharts vid 400–700 °C. Detta amorfa kolhaltiga material fungerar bra som elektroden i uppladdningsbara enheter med hög energidensitet. Patent lämnades in i början av 1980-talet av Kanebo Co., och försök att kommersialisera PAS-kondensatorer och litiumjonkondensatorer (LIC) började. PAS-kondensatorn användes första gången 1986 och LIC-kondensatorn 1991.

Det var inte förrän 2001 som en forskargrupp kunde föra idén om en hybridjonkondensator till existens. Mycket forskning gjordes för att förbättra elektrod- och elektrolytprestanda och cykellivslängd, men det var inte förrän 2010 som Naoi et al. gjorde ett verkligt genombrott genom att utveckla en nanostrukturerad komposit av LTO (litiumtitanoxid) med nanofibrer i kol . Nuförtiden är ett annat intressefält natriumjonkondensatorn (NIC) eftersom natrium är mycket billigare än litium. Ändå överträffar LIC fortfarande NIC så det är inte ekonomiskt lönsamt för tillfället.

Begrepp

Hierarkisk klassificering av superkondensatorer och relaterade typer

En litiumjonkondensator är en hybrid elektrokemisk energilagringsenhet som kombinerar interkaleringsmekanismen för en litiumjonbatterianod med dubbelskiktsmekanismen för katoden på en elektrisk dubbelskiktskondensator ( EDLC ). Kombinationen av en negativ batterityp LTO-elektrod och en positiv kondensatortyp aktivt kol (AC) resulterade i en energitäthet på ca. 20 Wh/kg vilket är cirka 4–5 gånger så mycket som en standard elektrisk dubbelskiktskondensator (EDLC). Effekttätheten har dock visat sig matcha den för EDLC, eftersom den kan laddas ur helt på några sekunder.

Vid den negativa elektroden (anoden), för vilken aktivt kol ofta används, lagras laddningar i ett elektriskt dubbelskikt som utvecklas i gränsytan mellan elektroden och elektrolyten. Liksom EDLC:er varierar LIC-spänningarna linjärt vilket ökar komplikationer genom att integrera dem i system som har kraftelektronik som förväntar sig den mer stabila spänningen hos batterier. Som en konsekvens har LICs en hög energitäthet, som varierar med kvadraten på spänningen. Kapacitansen hos anoden är flera storleksordningar större än katodens. Som ett resultat är förändringen av anodpotentialen under laddning och urladdning mycket mindre än förändringen i katodpotentialen.

Anod

Den negativa elektroden eller anoden på LIC är av batterityp eller högenergidensitetselektrod. Anoden kan laddas för att innehålla stora mängder energi genom reversibel interkalering av litiumjoner. Denna process är en elektrokemisk reaktion. Detta är anledningen till att nedbrytning är mer av ett problem för anoden än för katoden eftersom katoden är involverad i en elektrostatisk process och inte i en elektrokemisk .

Det finns två grupper av anoder. Den första gruppen är hybrider av elektrokemiskt aktiva arter och kolhaltiga material. Den andra gruppen är de nanostrukturerade anodmaterialen. Anoden på LIC:er är i grunden ett batterimaterial av interkalationstyp som har trög kinetik . För att använda en anod i LIC:er måste man dock luta deras egenskaper något mot de hos en kondensator genom att designa hybridanodmaterial. Hybridmaterialen kan framställas med användning av lagringsmekanismer av kondensator- och batterityp. För närvarande är den bästa elektrokemiska arten litiumtitanoxid (LTO), ^2Li4Ti5O12
. , på grund av dess extraordinära egenskaper som hög coulombisk effektivitet , stabil driftspänningsplatå och obetydlig volymförändring under litiuminsättning/desertering Bare LTO har dålig elektrisk ledningsförmåga och litiumjondiffusion så en hybrid behövs . Fördelarna med LTO i kombination med den stora elektriska ledningsförmågan och joniska diffusiviteten hos kolhaltiga material som kolbeläggningar leder till ekonomiskt lönsamma LIC.

Elektrodpotentialen för LTO är ganska stabil runt -1,5 V jämfört med Li/Li ⁺ . Eftersom kolhaltigt material används sänks den grafitelektrodpotential som initialt ligger vid -0,1 V mot SHE (standardväteelektrod) ytterligare till -2,8 V genom interkalerande litiumjoner. Detta steg kallas "dopning" och sker ofta i anordningen mellan anoden och en offerlitiumelektrod. Doping av anoden sänker anodpotentialen och leder till en högre utspänning från kondensatorn. Vanligtvis är utspänningarna för LIC:er i intervallet 3,8–4,0 V men är begränsade till minsta tillåtna spänningar på 1,8–2,2 V.

De nanostrukturerade materialen är metalloxider med en hög specifik yta. Deras främsta fördel är att det är ett sätt att öka anodens hastighetsförmåga genom att reducera diffusionsvägarna för de elektrolytiska arterna. Olika former av nanostrukturer har utvecklats, inklusive nanorör (enkel- och flerväggiga), nanopartiklar, nanotrådar och nanopärlor för att förbättra effekttätheten.

Andra kandidater för anodmaterial undersöks som alternativ till grafitkol, såsom hårt kol, mjukt kol och grafenbaserade kol. Den förväntade fördelen, jämfört med grafitkol, är att öka den dopade elektrodpotentialen, vilket leder till förbättrad effektkapacitet samt minskar risken för metall (litium) plätering på anoden.

Katod

Katoden av LIC:s använder ett elektriskt dubbelskikt för att lagra energi. För att maximera effektiviteten hos katoden bör den ha en hög specifik yta och god konduktivitet . Från början användes aktivt kol för att tillverka katoder, men för att förbättra prestanda har olika katoder använts i LIC. Dessa kan sorteras i fyra grupper: heteroatomdopat kol, grafenbaserat, poröst kol och bifunktionella katoder.

Heteroatomdopat kol har hittills bara dopats med kväve . Doping av aktivt kol med kväve förbättrar både kapacitansen och ledningsförmågan hos katoden.

Grafenbaserade katoder har använts eftersom grafen har utmärkt elektrisk ledningsförmåga, dess tunna lager har en hög specifik yta och det kan tillverkas billigt. Det har visat sig vara effektivt och stabilt jämfört med andra katodmaterial.

Porösa kolkatoder är gjorda liknande katoder av aktivt kol. Genom att använda olika metoder för att framställa kolet kan det göras med en högre porositet. Detta är användbart eftersom för att dubbelskiktseffekten ska fungera måste jonerna röra sig mellan dubbelskiktet och separatorn. Att ha en hierarkisk porstruktur gör detta snabbare och enklare.

Bifunktionella katoder använder en kombination av material som används för sina EDLC-egenskaper och material som används för sina goda Li ⁺ -interkaleringsegenskaper för att öka energitätheten hos LIC. En liknande idé applicerades på anodmaterialen där deras egenskaper var något lutande mot kondensatorns egenskaper.

Pre-lithiation (för-doping)

Anoden på LIC:er är ofta förlithierad för att förhindra att anoden upplever ett stort potentiellt fall under laddnings- och urladdningscykler. När en LIC kommer nära sin maximala eller lägsta spänning börjar elektrolyten och elektroderna att brytas ned. Detta kommer att skada enheten oåterkalleligt och nedbrytningsprodukterna kommer att katalysera ytterligare nedbrytning.

En annan anledning till pre-litiering är att högkapacitetselektroder oåterkalleligt förlorar kapacitet efter de initiala laddnings- och urladdningscyklerna. Detta beror huvudsakligen på bildandet av en solid elektrolytinterfas (SEI)-film. Genom förlitiering av elektroderna kan förlusten av litiumjoner till SEI-formationen huvudsakligen kompenseras. I allmänhet är anoden på LIC:er förlithierad eftersom katoden är Li-fri och kommer inte att delta i litiuminförande/deserteringsprocessen.

Elektrolyt

Den tredje delen av nästan vilken energilagringsenhet som helst är elektrolyten. Elektrolyten måste kunna transportera elektroner från en elektrod till den andra men den får inte begränsa de elektrokemiska ämnena i dess reaktionshastighet. För LIC:er har elektrolyten idealiskt en hög jonkonduktivitet så att litiumjoner lätt kan nå anoden. Normalt skulle man använda vattenhaltig elektrolyt för att uppnå detta, men vatten kommer att reagera med litiumjonerna så icke-vattenhaltiga elektrolyter används ofta. Elektrolyten som används i en LIC är en litiumjonsaltlösning som kan kombineras med andra organiska komponenter och är i allmänhet identisk med den som används i litiumjonbatterier .

I allmänhet används organiska elektrolyter som har en lägre elektrisk ledningsförmåga (10 till 60 mS/cm) än vattenhaltiga elektrolyter (100 till 1000 mS/cm) men som är mycket mer stabila. Ofta tillsätts linjära ( etylenkarbonat ) och cykliska ( dimetylkarbonat ) karbonater för att öka konduktiviteten och dessa förbättrar till och med SEI-bildningsstabiliteten. Där det senare betyder att det finns en mindre chans att mycket SEI bildas efter de initiala cyklerna. En annan kategori av elektrolyter är de oorganiska glas- och keramiska elektrolyterna. Dessa nämns inte så ofta men de har sina tillämpningar och har sina egna fördelar och nackdelar jämfört med organiska elektrolyter som huvudsakligen kommer från deras porösa struktur.

En separator förhindrar direkt elektrisk kontakt mellan anoden och katoden. Den måste vara kemiskt inert för att förhindra att den reagerar med elektrolyten, vilket kommer att sänka kapaciteten hos LIC. Separatorn bör dock släppa igenom joner men inte elektronerna som bildas eftersom detta skulle skapa en kortslutning.

Egenskaper

Typiska egenskaper för en LIC är

• hög kapacitans jämfört med en kondensator, på grund av den stora anoden, men låg kapacitet jämfört med en Li-joncell
• hög energitäthet jämfört med en kondensator (14 Wh/kg rapporterad), men låg energitäthet jämfört med en Li-joncell
• hög effekttäthet _
• hög tillförlitlighet
• driftstemperaturer från −20 °C till 70 °C
• låg självurladdning (<5 % spänningsfall vid 25 °C under tre månader)

Jämförelse med andra tekniker

Ragone plot som jämför LIC med andra teknologier

Batterier , EDLC och LICs har olika styrkor och svagheter, vilket gör dem användbara för olika kategorier av applikationer. Energilagringsenheter kännetecknas av tre huvudkriterier: effekttäthet (i W/kg), energitäthet (i Wh/kg) och livslängd (antal laddningscykler).

LIC:er har högre effekttätheter än batterier och är säkrare än litiumjonbatterier, där termiska runaway -reaktioner kan förekomma. Jämfört med den elektriska dubbelskiktskondensatorn (EDLC ) har LIC en högre utspänning. Även om de har liknande effekttätheter, har LIC en mycket högre energitäthet än andra superkondensatorer. Ragone -diagrammet i figur 1 visar att LIC:er kombinerar den höga energin hos LIB:er med den höga effekttätheten hos EDLC:er.

Cykellivslängden för LIC:er är mycket bättre än batterier och är inte i närheten av EDLC:er. Vissa LIC har en längre cykellivslängd men detta är ofta till priset av en lägre energitäthet.

Sammanfattningsvis kommer LIC förmodligen aldrig att nå energitätheten för ett litiumjonbatteri och aldrig nå den kombinerade livslängden och effekttätheten för en superkondensator. Därför bör det ses som en separat teknik med egna användningsområden och tillämpningar.

Ansökningar

Litiumjonkondensatorer är ganska lämpliga för applikationer som kräver hög energitäthet, höga effektdensiteter och utmärkt hållbarhet. Eftersom de kombinerar hög energitäthet med hög effekttäthet, finns det inget behov av ytterligare elektriska lagringsenheter i olika typer av applikationer, vilket resulterar i minskade kostnader.

Potentiella applikationer för litiumjonkondensatorer är till exempel inom områdena vindkraftgenereringssystem , avbrottsfri kraftkällassystem (UPS), spänningsnedsättningskompensation , solcellskraftgenerering , energiåtervinningssystem i industrimaskiner, el- och hybridfordon och transporter system.

En viktig potentiell slutanvändning av HIC (hybrid ion capacitor)-enheter är regenerativ bromsning. Utvinning av regenerativ bromsenergi från tåg, tunga fordon och i slutändan lätta fordon representerar en enorm potentiell marknad som fortfarande inte utnyttjas fullt ut på grund av begränsningarna hos befintliga sekundära batterier och superkondensatorer (elektrokemiska kondensatorer och ultrakondensatorer).

externa länkar

• Vi presenterar JM Energy Lithium-Ion Capacitor , JM Energy
• Litiumjonkondensator , JSR Micro