Kondensator litowo-jonowy - Lithium-ion capacitor

Kondensator litowo-jonowy
Kondensator litowo-jonowy.jpg
Kondensatory litowo-jonowe z pojedynczą końcówką do 200 F do montażu na płytce drukowanej
Specyficzna energia 19–262  Wh /kg
Gęstość energii 19–25 Wh/L
Moc właściwa 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-jonowych ( LIC ) jest hybrydą typu kondensatora sklasyfikowana jako typ superkondensatora . Nazywa się to hybrydą, ponieważ anoda jest taka sama jak w akumulatorach litowo-jonowych, a katoda jest taka sama jak w superkondensatorach. Jako katodę zwykle stosuje się węgiel aktywny . Anody z LIC składa się z materiału węglowego, który jest często wstępnie domieszkowanego litu jony. Ten proces wstępnego domieszkowania obniża potencjał anody i umożliwia stosunkowo wysokie napięcie wyjściowe w porównaniu z innymi superkondensatorami.

Historia

W 1981 r. dr Yamabe z Uniwersytetu w Kioto, we współpracy z dr Yata z Kanebo Co., stworzył materiał znany jako PAS (półprzewodnik poliacenowy) poprzez pirolizę żywicy fenolowej w temperaturze 400–700 °C. Ten amorficzny materiał węglowy dobrze sprawdza się jako elektroda w ładowalnych urządzeniach o dużej gęstości energii. Na początku lat 80. firma Kanebo Co. złożyła patenty i rozpoczęto 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 wprowadzić w życie pomysł hybrydowego kondensatora jonowego. Przeprowadzono wiele badań w celu poprawy wydajności elektrody i elektrolitu oraz żywotności cyklu, ale dopiero w 2010 r. Naoi i in. dokonał prawdziwego przełomu, opracowując nanostrukturalny kompozyt LTO (tlenek litowo-tytanowy) z nanowłókienkami węglowymi . Obecnie innym polem zainteresowania jest kondensator jonowy sodu (NIC), ponieważ sód jest znacznie tańszy niż lit. Niemniej jednak LIC nadal przewyższa NIC, więc nie jest ekonomicznie opłacalny (jeszcze).

Pojęcie

Hierarchiczna klasyfikacja superkondensatorów i typów pokrewnych

Kondensator litowo-jonowy to hybrydowe elektrochemiczne urządzenie magazynujące energię, które łączy mechanizm interkalacyjny anody akumulatora litowo-jonowego z mechanizmem dwuwarstwowym katody elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego ( EDLC ). Połączenie ujemnej elektrody LTO typu akumulatorowego i dodatniego kondensatora z węglem aktywnym (AC) skutkowało gęstością energii około. 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 są gromadzone w podwójnej warstwie elektrycznej, która powstaje na styku elektrody i elektrolitu. Podobnie jak EDLC, napięcia LIC zmieniają się liniowo, zwiększając komplikacje, integrując je z systemami wyposażonymi w energoelektronikę, które oczekują bardziej stabilnego napięcia baterii. 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 jest typem baterii lub elektrodą o wysokiej gęstości energii. Anoda może być naładowana tak, aby zawierała duże ilości energii przez odwracalną interkalację jonów litu. Ten proces jest reakcją elektrochemiczną. Jest to powód, dla którego degradacja jest większym problemem dla anody niż dla katody, ponieważ katoda bierze udział w procesie elektrostatycznym , a nie elektrochemicznym .

Istnieją dwie grupy anod. Pierwsza grupa to hybrydy form elektrochemicznie aktywnych i materiałów węglowych. Druga grupa to nanostrukturalne materiały anodowe. Anoda LIC jest zasadniczo materiałem baterii typu interkalacyjnego, który ma powolną kinetykę . Aby jednak zastosować anodę w LIC, należy nieco pochylić ich właściwości w stosunku do właściwości kondensatora, projektując hybrydowe materiały anodowe. Materiały hybrydowe można przygotować za pomocą kondensatorowych i akumulatorowych mechanizmów magazynujących. Obecnie najlepszym gatunkiem elektrochemicznym jest tlenek litowo-tytanowy (LTO),2
Li4Ti5O12 , ze względu na swoje niezwykłe właściwości, takie jak wysoka wydajność kulombowska , stabilne plateau napięcia roboczego i nieznaczna zmiana objętości podczas wkładania/dezercji litu. Bare LTO ma słabą przewodność elektryczną i dyfuzyjność litowo-jonową, więc potrzebna jest hybryda. Zalety LTO w połączeniu z doskonałą przewodnością elektryczną i dyfuzyjnością jonową materiałów węglowych, takich jak powłoki węglowe, prowadzą do ekonomicznie opłacalnych LIC.

Potencjał elektrody LTO jest dość stabilny około -1,5 V w porównaniu z Li/Li + . Ponieważ stosowany 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. Ten etap jest określany jako „domieszkowanie” i często odbywa się w urządzeniu pomiędzy anodą a litową elektrodą protektorową. Domieszkowanie anody obniża potencjał anodowy 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 minimalnego dopuszczalnego napięcia 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 zdolności szybkości anody poprzez zmniejszenie ścieżek dyfuzji indywiduów elektrolitycznych. Opracowano różne formy nanostruktur, w tym nanorurki (jedno- i wielościenne), nanocząsteczki, nanodruty i nanokulki w celu zwiększenia gęstości mocy.

Inni kandydaci na materiały anodowe są badane jako alternatywa dla węgli grafitowych, takich jak węgiel twardy, węgiel miękki i węgiel na bazie grafenu. Oczekiwaną korzyścią, w porównaniu z węglem grafitowym, jest zwiększenie potencjału domieszkowanej elektrody, co prowadzi do poprawy wydajności energetycznej, a także zmniejszenia ryzyka osadzania się metalu (litu) na anodzie.

Katoda

Katoda LIC wykorzystuje podwójną warstwę elektryczną do przechowywania energii. Aby zmaksymalizować skuteczność katody powinna mieć dużą powierzchnię właściwą i dobrą przewodność . Początkowo do wytwarzania katod stosowano węgiel aktywny, ale w celu poprawy wydajności w LIC zastosowano różne katody. Można je podzielić na cztery grupy: węgiel domieszkowany heteroatomem, węgiel porowaty na bazie grafenu i katody dwufunkcyjne.

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

Zastosowano katody na bazie grafenu, ponieważ grafen ma doskonałą przewodność elektryczną, 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 podobne do katod z węglem aktywnym. Stosując różne metody produkcji węgla, można uzyskać go o większej porowatości. Jest to przydatne, ponieważ aby efekt podwójnej warstwy działał, jony muszą przemieszczać się między podwójną warstwą a separatorem. Dzięki hierarchicznej strukturze porów jest to szybsze i łatwiejsze.

Katody dwufunkcyjne 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

Stan przed litowaniem (przed dopingiem)

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 rozkładać. Spowoduje to nieodwracalne uszkodzenie urządzenia, a produkty degradacji katalizują dalszą degradację.

Innym powodem wstępnego litowania jest to, że elektrody o dużej pojemności nieodwracalnie tracą pojemność po początkowych cyklach ładowania i rozładowania. Przypisuje się to głównie powstawaniu filmu z interfazą 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 nie zawiera Li i nie bierze udziału w procesach wstawiania/dezercji litu.

Elektrolit

Trzecią częścią prawie każdego urządzenia magazynującego energię jest elektrolit. Elektrolit musi być w stanie przenosić elektrony z jednej elektrody na drugą, ale nie może ograniczać indywiduów 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, więc często stosuje się elektrolity niewodne. Elektrolit stosowany w LIC jest roztworem soli litowo-jonowej, który można łączyć z innymi składnikami organicznymi i jest zasadniczo identyczny z tym stosowanym w akumulatorach litowo-jonowych .

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 liniowa ( węglan etylenu ) i cykliczne ( węglan dimetylu ) węglan dodaje się do zwiększenia przewodnictwa i są jeszcze zwiększyć stabilność formacji SEI. Gdzie to ostatnie oznacza, że ​​istnieje mniejsze prawdopodobieństwo, że po początkowych cyklach powstanie dużo SEI. Kolejną kategorią elektrolitów są nieorganiczne elektrolity szklane i ceramiczne. Nie są one wymieniane 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 uniemożliwia bezpośredni kontakt elektryczny pomiędzy anodą a katodą. Musi być chemicznie obojętny, aby zapobiec reakcji z elektrolitem, co obniży możliwości LIC. Jednak separator powinien przepuszczać jony, ale nie powstające elektrony, ponieważ spowodowałoby to zwarcie.

Nieruchomości

Typowe właściwości LIC to

  • duża pojemność w porównaniu do kondensatora, ze względu na dużą anodę, choć małą pojemność w porównaniu do ogniwa Li-ion
  • 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 w ciągu trzech miesięcy)

Porównanie z innymi technologiami

Wykres Ragone porównujący LIC do innych technologii

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: gęstość mocy (w W/kg), gęstość energii (w Wh/kg) i cykl życia (liczba cykli ładowania).

Akumulatory LIC mają wyższą gęstość mocy niż akumulatory i są bezpieczniejsze niż akumulatory litowo-jonowe , w których mogą wystąpić niekontrolowane reakcje termiczne . W porównaniu do elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego (EDLC ) LIC ma wyższe napięcie wyjściowe. Chociaż mają podobną gęstość mocy, LIC ma znacznie wyższą gęstość energii niż inne superkondensatory. Ragone wykres na figurze 1 pokazuje, że LIC łączą wysoką energię bibliotekami z wysoką gęstością mocy EDLCs.

Cykl życia LIC jest znacznie lepszy niż baterii, ale nie jest zbliżony 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 akumulatora litowo-jonowego i nigdy nie osiągnie łącznego cyklu życia i gęstości mocy superkondensatora. Dlatego powinna być postrzegana jako osobna technologia z własnymi zastosowaniami i aplikacjami.

Aplikacje

Kondensatory litowo-jonowe są dość odpowiednie do zastosowań, które wymagają dużej gęstości energii, dużej gęstości mocy i doskonałej trwałości. Ponieważ łączą one wysoką gęstość energii z wysoką gęstością mocy, nie ma potrzeby stosowania dodatkowych urządzeń magazynujących energię elektryczną w różnego rodzaju zastosowaniach, co skutkuje obniżonymi kosztami.

Potencjalne zastosowania kondensatorów litowo-jonowych to na przykład systemy wytwarzania energii wiatrowej, systemy bezprzerwowego źródła zasilania (UPS), kompensacja zapadów 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 z hamowania regeneracyjnego z pociągów, ciężkich pojazdów samochodowych i ostatecznie lekkich pojazdów stanowi ogromny potencjalny rynek, który nadal nie jest w pełni wykorzystywany ze względu na ograniczenia istniejących technologii akumulatorów wtórnych i superkondensatorów (kondensatorów elektrochemicznych i ultrakondensatorów).

Bibliografia

Zewnętrzne linki