Принцип работы и устройство литий-ионных конденсаторов

Литий-ионные суперконденсаторы (ЛИСК) являются гибридом двуслойного конденсатора (ДСК) и литий-ионного аккумулятора (ЛИА). Значения их удельных энергетических и мощностных характеристик находятся в пределах между значениями, свойственными литий-ионным аккумуляторам и суперконденсаторам. Такие системы демонстрируют повышенные мощностные, энергетические и ресурсные характеристики. Данный тип устройств в англоязычной литературе относят к ассиметричным двойнослойным электрохимическим конденсаторам (Asymmetric electrochemical double layer capacitors, AEDLC).

При изготовлении литий-ионного суперконденсатора обычно используют следующие пары активных материалов электродов (отрицательный электрод/положительный электрод):

  • Li4Ti5O12/углеродный материал с развитой поверхностью;
  • графит (неграфитизированный углерод)/углеродный материал с развитой поверхностью;
  • смесь Li4Ti5O12 и углерода с развитой поверхностью/смесь катодного материала литий-ионного аккумулятора (LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMn(1-x-y)O2 и другие литиевые соли или оксиды металлов с переменной валентностью) и углерода с развитой поверхностью.

В двух первых типах ЛИСК от ДСК взят положительный электрод (углеродный материал с развитой поверхностью), а от ЛИА — отрицательный (графит или нанотитанат Li4Ti5O12). Тип Li4Ti5O12/углеродный материал с развитой поверхностью исторически возник первым, однако на данный момент не имеет большого распространения. Третий тип появился совсем недавно и отличается тем, что в нем и анод, и катод включают композиционные материалы, как ЛИА, так и ДСК. При его функционировании как на аноде, так и на катоде параллельно протекают процессы, характерные для работы ЛИА и ДСК. На данный момент наиболее популярными считаются устройства, содержащие графит в составе отрицательного электрода и углеродный материал с развитой поверхностью в составе положительного электрода, то есть относящиеся ко второму типу ЛИСК.

Устройство литий-ионного конденсатора

ДСК имеет два одинаковых электрода, помещеннных в электролит и выполненных из углерода с развитой поверхностью, нанесенного на металлическую фольгу. Обычно электролит представляет собой соли, растворенные в органических растворителях. В процессе растворения образуются катионы (например, ТЕМА+ — триэтилметил аммоний) и анионы (к примеру, BF4–). При заряде ДСК катионы и анионы, входящие в состав электролита, локализуются на поверхности отрицательного и положительного электродов соответственно (рис. А). При разряде катионы и анионы переходят с поверхности электродов обратно в раствор электролита.

В ЛИА протекают другие электрохимические процессы. При заряде положительно заряженные ионы лития интеркалируют (встраиваются) в структуру графита и удаляются из катодного материала — деинтеркалируют (рис. В). При разряде ионы лития выходят из структуры графита и встраиваются обратно в структуру катодного материала. Электролит в данном случае выступает в качестве среды, обеспечивающей перенос ионов лития, то есть его функция отлична от электролита в ДСК, где он является источником катионов и анионов.

При заряде ЛИСК происходит локализация анионов (PF6–) на поверхности положительного электрода и внедрение катионов (Li+) лития в структуру активного материала отрицательного электрода (графит), (рис. Б). В данном случае электролит становится средой, обеспечивающей перенос ионов лития, и источником анионов для положительного электрода, совмещая две описанные выше функции. При разряде ЛИСК происходят обратные процессы. Емкость ДСК определяется емкостью каждого из электродов и вычисляется по формуле: 1/Сячейки = 1/С+1/С+.

В случае симметричного конденсатора С = С+ = С и Сячейки = С/2. Заряд накапливается на поверхности обоих электродов. Если на положительном электроде работает поверхность, то в отрицательном электроде можно добиться того, чтобы работал объем, — другими словами, происходило внедрение ионов лития в активный материал. Замена активного материала отрицательного электрода (углерода с развитой удельной поверхностью) на материалы, способные к обратимому внедрению лития, например, предварительно литированный графит, обладающий значительно большей емкостью, чем материал положительного электрода (С >> С+), приводит к повышению общей емкости ячейки в два раза. Тогда емкость ячейки — Сячейки = С+ — целиком определяется емкостью положительного электрода. У ДСК, имеющего симметричную конструкцию, заряд катода и анода при разряде изменяется одинаково. Максимальное напряжение устройства примерно равно 2,5 Вольт (рис. А). Напряжение полностью заряженного ЛИСК выше, чем у ДСК, и составляет 3,8–4 Вольта (рис. Б).

Устройство литий-ионного конденсатора

Увеличение напряжения устройства достигается ввиду использования в качестве анода литированного графита, потенциал которого близок к потенциалу металлического лития. При разряде потенциал катода снижается, а потенциал анода несколько увеличивается из-за деинтеркаляции лития. Для обеспечения длительного ресурса напряжение на ячейке не должно уменьшаться ниже или повышаться больше значений, указанных производителем. Таким образом, ЛИСК устойчиво работает в определенном диапазоне напряжений.

Компания VINATech предлагает литий-ионные суперконденсаторы Hy-Cap LIC (Lithium Ion Capacitor) под рабочее напряжение от 2.2 до 3.8 В с емкостями от 20 до 270 Фарад.

12 Oтвет на Принцип работы литий-ионных конденсаторов

  • g we

    Wow, this piece of writing is nice, my sister is analyzing these kinds
    of things, therefore I am going to convey her.

  • all g

    Incredible points. Great arguments. Keep up the amazing effort.

  • g get

    fantastic issues altogether, you just gained a logo new reader.
    What could you recommend about your publish that you made a few days in the past?
    Any sure?

  • Excellent items from you, man. I have be mindful your stuff previous
    to and you are just extremely wonderful.
    I really like what you’ve obtained here, really like what you
    are saying and the way by which you assert
    it. You make it enjoyable and you still take care of to keep it wise.
    I cant wait to read much more from you. That is really a great site.

  • Hey just wanted to give you a quick heads up. The text in your content seem to be running off the screen in Chrome.
    I’m not sure if this is a formatting issue or something to do with browser compatibility but I thought I’d post to
    let you know. The design look great though! Hope you get the problem resolved soon. Kudos

  • http://tinyurl.com/

    You actually make it seem really easy together with your presentation but I find
    this matter to be really something which I feel I’d by no means understand.
    It seems too complex and extremely wide for me.
    I am taking a look forward in your subsequent submit, I’ll attempt to get the hang of it!

  • dfc-funclan.de

    You are so awesome! I don’t suppose I’ve read through anything like this before.
    So great to discover another person with original thoughts on this subject matter.

    Really.. many thanks for starting this up. This web site
    is one thing that’s needed on the web, someone with a bit of originality!

  • tinyurl.com

    I’ll right away clutch your rss as I can not find your e-mail subscription hyperlink or e-newsletter
    service. Do you have any? Please let me recognize
    so that I may subscribe. Thanks.

  • What i don’t understood is actually how you are now not actually a lot more smartly-preferred
    than you might be right now. You are very intelligent.
    You already know therefore significantly with regards to this matter, produced me for my part
    believe it from numerous numerous angles. Its like women and men don’t seem to be interested unless it’s something
    to accomplish with Lady gaga! Your personal stuffs nice.
    At all times deal with it up!

  • I do not know if it’s just me or if everyone else experiencing issues with your site.
    It appears as though some of the text within your posts are running off the screen.
    Can somebody else please comment and let me know if this is happening to them
    as well? This may be a problem with my web browser because I’ve had this
    happen previously. Thank you

  • With havin so much content do you ever run into any issues
    of plagorism or copyright infringement? My website has a lot of unique content
    I’ve either created myself or outsourced but it looks like a lot of it is popping it up all over
    the web without my agreement. Do you know any ways to help reduce content from being stolen? I’d really appreciate it.

  • Somebody necessarily help to make severely articles I might
    state. This is the very first time I frequented your web page and so far?
    I amazed with the research you made to make this actual post extraordinary.

    Great activity!

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *