锂离子电容器的工作原理

　 锂离子电容器作为一种新型的储能器件，具有功率密度高、静电容量高和循环寿命比较长的优点，有望在新能源汽车、太阳能、风能等领域得到广泛的应用。其工作原理与锂离子电池、超级电容器有所不同。

　　1、锂离子电池的工作原理

　　锂离子电池是继镉镍、氢镍电池后发展最快的二次电池。锂离子电池的正负极活性物质均为能够可逆地嵌入-脱出锂的化合物，其中至少有一种电极材料在组装前处于嵌锂状态，如过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2及LiMn2O4等作为正极，选用各种碳材料、金属氧化物或合金等作为负极材料。

　　锂离子电池的工作原理如图1所示，以石墨为负极、LiCoO2为正极。充电时，锂离子从正极材料中脱出，在电化学势梯度的驱使下经过电解液向负极迁移，电荷平衡要求等量的电子在外电路下从正极流向负极，到达负极后得到电子的锂离子再嵌入到负极材料晶格中;放电时则以相反过程进行，即锂离子离开负极晶格，嵌入正极重新形成LiCoO2。

　　充放电过程反应式为：

　　正极反应：

　　LiCoO2 ⇌ Li1-xCoO2+xe+xLi+

　　负极反应：

　　xLi++xe+nC ⇌ LixCn

　　电池反应：

　　LiCoO2 +nC ⇌ Li1-xCoO2+LixCn

　　锂离子电池的工作原理除了“氧化-还原”以外，还基于电化学嵌入-脱出反应，即锂离子电池在充放电过程中，锂以离子形式(Li+)作为能量交换的载体，通过电解液，利用锂离子的嵌入和脱出，在正负极之间摇摆，达到能量交换的目的。与其他电池相比，锂离子电池具有能量密度高、平均输出电压高、充电效率高、自放电效率低、安全性能好、循环和使用寿命长等优点。

　　2、超级电容器的工作原理

　　超级电容器一般主要由电极、电解液、集电体和隔膜等组成，其工作原理如图2所示。

　　充电时，电子通过外电源从正极传到负极，使正极和负极分别带正电和负电，同时电解质溶液本体中的正负离子分离并移动到电极表面与电极表面的电荷层对峙，形成双电层;放电时，电子通过负载由负极流到正极，正负离子则从电极表面释放并返回电解质溶液本体，同时双电层消失。由此可见双电层电容器利用电极和电解质界面的双电层来存储电荷，充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应，故其具有性能稳定、充放电时间短、循环寿命长、功率密度大、高低温性能良好等优点。

　　3、锂离子电容器的工作原理

　　富士重工的Hiromoto T等提出了锂离子电容器的工作原理，如图3所示。

　　正极材料是具有双电层储能的活性炭材料，负极材料是具有锂离子脱嵌功能的插层炭类材料，电解液为锂盐电解液。电池在充电时，锂离子脱离正极材料的表面，经过电解液和隔膜后插入到负极材料的晶格中;放电时，锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解液返回到正极材料的表面，与正极的电荷形成双电层。嵌锂后的负极电位低，具有使用电压高、能量密度和功率密度介于锂离子电池和超级电容器之间的特点。

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