鋰電容器是一種全新的儲(chǔ)能裝置，與超級(jí)電容器和鋰離子電池有所不同。相比之下，它具有高功率密度、高靜電容量和長(zhǎng)循環(huán)壽命等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在新能源車輛、太陽能和風(fēng)能等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。其工作原理也與鋰離子電池和超級(jí)電容器存在差異。

　　1、鋰離子電池的運(yùn)作機(jī)理

　　鋰離子電池是目前發(fā)展速度最快的二次電池之一，也是繼鎘鎳電池和氫鎳電池之后的一種電池。鋰離子電池的正負(fù)極材料都是能夠可逆地將鋰嵌入-脫出的化合物。在組裝前，至少有一種電極材料處于嵌鋰狀態(tài)。例如，過渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2、LiNiO2以及LiMn2O4可以作為正極，而碳材料、金屬氧化物或合金等則可作為負(fù)極材料。

　　鋰離子電池的工作原理是利用石墨作為負(fù)極和LiCoO2作為正極。在充電過程中，鋰離子從正極材料中釋放出來，并在電解液的影響下通過電化學(xué)勢(shì)梯度遷移至負(fù)極。在電荷平衡的要求下，正極會(huì)向外電路流出等量電子以供負(fù)極使用。一旦鋰離子到達(dá)負(fù)極，它們就會(huì)嵌入負(fù)極材料晶格中，并得到電子以重新形成鋰離子。在放電過程中，這一過程正好相反。換句話說，鋰離子離開負(fù)極晶格，重新匯聚到正極，形成LiCoO2。

　　反應(yīng)式表示電池的充放電過程：

　　正極反應(yīng)：

　　鋰鈷氧化物L(fēng)iCoO2?Li?-xCoO2+xe+xLi+

　　負(fù)極反應(yīng)：

　　Li++xe-+nC?Li(x)C(n)

　　電池反應(yīng)：

　　LiCoO2加上n倍數(shù)的碳會(huì)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為L(zhǎng)i1-xCoO2和LixCn。

　　除了“氧化-還原”反應(yīng)外，鋰離子電池的工作原理還涉及電化學(xué)嵌入-脫出反應(yīng)。在充放電過程中，鋰離子電池通過電解液，利用鋰離子(Li+)作為能量交換的媒介，在正負(fù)極之間進(jìn)行嵌入和脫出，以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。相較于其他類型的電池，鋰離子電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如高能量密度、較高的平均輸出電壓、高充電效率、較低的自放電效率、良好的安全性能以及長(zhǎng)循環(huán)和使用壽命。

　　2、超級(jí)電容器是一種能夠電子快速儲(chǔ)存和釋放能量的電子器件。其工作原理基于電極材料之間的電化學(xué)反應(yīng)，而不是傳統(tǒng)電容器中的電場(chǎng)積累。

　　當(dāng)超級(jí)電容器充電時(shí)，電荷集中在電極表面，并通過電解質(zhì)傳遞離子。這些離子被負(fù)極和正極之間的電勢(shì)差加速，形成一個(gè)雙層電容器。這個(gè)雙層電容器使超級(jí)電容器能夠儲(chǔ)存大量的電荷，在短時(shí)間內(nèi)提供大量的電流。

　　當(dāng)需要釋放電能時(shí)，電荷會(huì)被快速地釋放回電解質(zhì)中。這種放電方式可以重復(fù)使用，因?yàn)殡x子在電解質(zhì)中循環(huán)使用，同時(shí)還能夠承受高速放電的影響。

　　超級(jí)電容器由于其大電流密度和長(zhǎng)周期壽命的特性，被廣泛應(yīng)用于能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，特別是在需要快速充電和放電的應(yīng)用中。

　　超級(jí)電容器通常由電極、電解液、集電體和隔膜等部分組成。在工作原理方面，當(dāng)電容器充電時(shí)，電子從外部電源流向負(fù)極，經(jīng)過電解質(zhì)溶液本體，使得正極和負(fù)極帶上正/負(fù)電荷，同時(shí)，溶液中的正/負(fù)離子會(huì)沿著電極表面移動(dòng)，與電極表面的電荷相對(duì)立，形成對(duì)稱的雙電層。當(dāng)電容器需要放電時(shí)，電子則從負(fù)極流向正極通過負(fù)載。此時(shí)正/負(fù)離子從電極表面移開，返回電解質(zhì)溶液本體，電容器的雙電層也會(huì)隨著消失。通過以上描述可以看出，雙電層電容器利用電極和電解質(zhì)之間的雙電層來儲(chǔ)存電荷。充、放電過程是物理過程，不會(huì)引發(fā)任何電化學(xué)反應(yīng)，所以其具備著性能穩(wěn)定、充電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、以及出色的高低溫適應(yīng)性。

　　3、鋰離子電容器的原理可以解釋如下：在一個(gè)離子介質(zhì)中，帶正電荷的鋰離子會(huì)被嵌入到其間隙中，當(dāng)電容器處于充電狀態(tài)時(shí)，鋰離子會(huì)從正極移動(dòng)到負(fù)極，使得電荷積累在電極之間，構(gòu)成儲(chǔ)能的狀態(tài)。當(dāng)電容器需要輸出能量時(shí)，鋰離子會(huì)沿著相反的方向移動(dòng)，將電荷釋放出來，驅(qū)動(dòng)外部電路。由于鋰離子電容器具有高能量密度和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、儲(chǔ)能站、航空航天等領(lǐng)域。

　　HiromotoT和富士重工的團(tuán)隊(duì)提出了鋰離子電容器的工作原理。鋰離子電容器的正極材料采用活性炭材料，具有雙電層電容的能力;而負(fù)極材料則采用插層炭材料，具有鋰離子脫嵌的功能。電池的電解液是鋰鹽電解液。在充電時(shí)，鋰離子從正極材料的表面離開，經(jīng)過電解液和隔膜后插入到負(fù)極材料的晶格中。在放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極材料的晶格中脫出，經(jīng)過電解液返回到正極材料的表面，形成雙電層電容。由于鋰插入后負(fù)極的電位偏低，因此鋰離子電容器具有使用電壓高、能量密度和功率密度介于鋰離子電池和超級(jí)電容器之間的特點(diǎn)。

　　4、鋰離子電容器相較于鋰離子電池和超級(jí)電容器具有的優(yōu)勢(shì)是什么?

　　容量、電壓和自放電的比較。

　　鋰離子電容器的輸出密度高，但能量密度低于鋰離子電池;相對(duì)于雙電層電容器的每升2~8Wh的容量，鋰離子電容器單體體積的能量密度是10~15Wh/L，大約是后者的兩倍。

　　就電壓而言，鋰離子電容器能夠達(dá)到最高4V的電壓水平，這跟鋰離子電池相當(dāng)接近，但比雙層電容器高出不少。同時(shí)，鋰離子電容器的自放電現(xiàn)象也比以上兩者都較小。

　　安全性

　　由于鋰離子電池采用了含有鋰氧化物的正極，因此正極中含有大量的鋰，這些鋰可能形成鋰枝晶并刺穿隔膜，同時(shí)正極中也含有氧元素，這是一種重要的引火元素。一旦電池發(fā)生短路，它便會(huì)迅速發(fā)生整體的熱分解反應(yīng)，并導(dǎo)致與電解液反應(yīng)產(chǎn)生燃燒。相對(duì)而言，鋰離子電容器的正極采用了活性碳，即使發(fā)生內(nèi)部短路，也會(huì)與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，但不會(huì)與電解液反應(yīng)，因此理論上比鋰電池更為安全。

　　壽命長(zhǎng)

　　為了使鋰離子電池達(dá)到長(zhǎng)壽命的效果，需要在其充電和放電深度上做出一定的限制。這樣雖然減少了可使用的容量，但是可以有效地延長(zhǎng)電池的實(shí)際壽命。與此不同的是，雙電層電容器的充放電原理僅是吸附或脫卻電解液中的離子，因此它們具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。但是，僅有這一點(diǎn)很難延長(zhǎng)實(shí)際壽命。相比之下，即使降低正極電位，鋰離子電池單元自身的電壓也不會(huì)大幅下降，從而可以確保容量。

　　耐高溫

　　若處于高溫環(huán)境下，則電解液和正極易發(fā)生氧化分解。為此，在高溫條件下，可能需要降低正極的電位。然而，在電位降低的情形下，整體電壓下降，容量無法保證。另外，鋰離子電池難以降壓，因此存在安全隱患。只有鋰離子電容器能夠遠(yuǎn)離氧化分解區(qū)域，使用正極電位較高的位置，因此具備卓越的高溫性能。

　　5、鋰離子電容器的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

　　鋰離子電容器是一種新興的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，具有廣泛的應(yīng)用前景和潛力。它采用鋰離子在正負(fù)極之間進(jìn)行離子遷移來存儲(chǔ)和釋放電能，具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、快速充放電等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車輛、可再生能源儲(chǔ)存、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。

　　目前，鋰離子電容器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已取得了顯著的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外許多公司和研究機(jī)構(gòu)都在積極投入研發(fā)和生產(chǎn)，推動(dòng)鋰離子電容器技術(shù)的突破和創(chuàng)新。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，電動(dòng)車輛市場(chǎng)是鋰離子電容器最具潛力和市場(chǎng)需求的領(lǐng)域之一。隨著電動(dòng)汽車的普及，對(duì)于高能量密度和快速充電的需求不斷增加，鋰離子電容器有望成為電動(dòng)車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分。

　　此外，可再生能源儲(chǔ)存也是鋰離子電容器的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著可再生能源如太陽能和風(fēng)能的快速發(fā)展，能源儲(chǔ)存成為解決間斷性供電和平衡能源需求的關(guān)鍵問題。鋰離子電容器能夠快速響應(yīng)并平衡能量需求，為可再生能源的穩(wěn)定供應(yīng)提供支持。

　　智能電網(wǎng)領(lǐng)域也是鋰離子電容器應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。智能電網(wǎng)需要具備能量?jī)?chǔ)存和調(diào)節(jié)能力，以應(yīng)對(duì)能源波動(dòng)和電網(wǎng)需求的變化。鋰離子電容器的高能量密度和快速響應(yīng)特性使其成為智能電網(wǎng)中的理想能量?jī)?chǔ)存裝置。

　　綜上所述，鋰離子電容器在電動(dòng)車輛、可再生能源儲(chǔ)存和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，鋰離子電容器有望在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

　　鋰離子電容器產(chǎn)業(yè)的上游主要包括正負(fù)極原材料、電解液、隔膜、穿孔集流體和單質(zhì)金屬鋰極等;中游則包括各種形狀和規(guī)格不同的鋰離子電容單體及其系統(tǒng)集成的模塊;下游則主要應(yīng)用于終端市場(chǎng)需求。目前，日本市場(chǎng)已初步開放，隨后將在全球市場(chǎng)推廣，如風(fēng)力發(fā)電、LED照明、太陽能發(fā)電和混合動(dòng)力汽車等領(lǐng)域。

　　當(dāng)前，這些產(chǎn)業(yè)主要受國(guó)外公司控制。舉例而言，日本可口可樂公司和ACT公司分別掌握活性炭和納米門炭技術(shù);而日本嘉娜寶公司、吳羽化學(xué)和ATEC公司等則掌握聚合苯、硬炭等負(fù)極材料技術(shù)。此外，F(xiàn)ERRO公司和HONEYWELL公司在電解液領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位，而隔膜由日本NKK公司壟斷，多孔集流體則被日本的三家金屬株式會(huì)社壟斷。國(guó)內(nèi)目前只有少數(shù)幾家公司正在開發(fā)鋰離子電容器的正極活性炭和負(fù)極硬炭材料。

　　超級(jí)電容器和鋰電池各有優(yōu)缺點(diǎn)。超級(jí)電容器是基于物理原理工作的電池，而鋰電池則多采用化學(xué)原理制成的化學(xué)電池。因此，它們本質(zhì)上是兩種不同的技術(shù)，超級(jí)電容器通過物理方式儲(chǔ)存電荷，而鋰電池則通過將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來工作。

　　就使用方面而言，超級(jí)電容的內(nèi)阻更小，因此可以瞬間釋放更大的電流。與所有化學(xué)電池不同的是，超級(jí)電容不受溫度影響。當(dāng)溫度過低時(shí)，化學(xué)電池的容量會(huì)降低，內(nèi)阻變大。但是由于超級(jí)電容是通過純物理原理實(shí)現(xiàn)的，因此其壽命更長(zhǎng)。

　　然而，超級(jí)電容器因其極低的內(nèi)阻，在電池管理方面帶來了困難，其安全性甚至比鋰電池更加危險(xiǎn)。它的缺點(diǎn)包括能量密度較低和高昂的價(jià)格。