鋰離子電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、靜電容量高和循環(huán)壽命比較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，有望在新能源汽車(chē)、太陽(yáng)能、風(fēng)能等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其工作原理與鋰離子電池、超級(jí)電容器有所不同。

1、鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池是繼鎘鎳、氫鎳電池后發(fā)展最快的二次電池。鋰離子電池的正負(fù)極活性物質(zhì)均為能夠可逆地嵌入-脫出鋰的化合物，其中至少有一種電極材料在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，如過(guò)渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2、LiNiO2及LiMn2O4等作為正極，選用各種碳材料、金屬氧化物或合金等作為負(fù)極材料。

鋰離子電池的工作原理如圖1所示，以石墨為負(fù)極、LiCoO2為正極。充電時(shí)，鋰離子從正極材料中脫出，在電化學(xué)勢(shì)梯度的驅(qū)使下經(jīng)過(guò)電解液向負(fù)極遷移，電荷平衡要求等量的電子在外電路下從正極流向負(fù)極，到達(dá)負(fù)極后得到電子的鋰離子再嵌入到負(fù)極材料晶格中;放電時(shí)則以相反過(guò)程進(jìn)行，即鋰離子離開(kāi)負(fù)極晶格，嵌入正極重新形成LiCoO2。

充放電過(guò)程反應(yīng)式為：

正極反應(yīng)：

LiCoO2?Li1-xCoO2+xe+xLi+

負(fù)極反應(yīng)：

xLi++xe+nC?LixCn

電池反應(yīng)：

LiCoO2+nC?Li1-xCoO2+LixCn

鋰離子電池的工作原理除了“氧化-還原”以外，還基于電化學(xué)嵌入-脫出反應(yīng)，即鋰離子電池在充放電過(guò)程中，鋰以離子形式(Li+)作為能量交換的載體，通過(guò)電解液，利用鋰離子的嵌入和脫出，在正負(fù)極之間搖擺，達(dá)到能量交換的目的。與其他電池相比，鋰離子電池具有能量密度高、平均輸出電壓高、充電效率高、自放電效率低、安全性能好、循環(huán)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2、超級(jí)電容器的工作原理

超級(jí)電容器一般主要由電極、電解液、集電體和隔膜等組成，其工作原理如圖2所示。

充電時(shí)，電子通過(guò)外電源從正極傳到負(fù)極，使正極和負(fù)極分別帶正電和負(fù)電，同時(shí)電解質(zhì)溶液本體中的正負(fù)離子分離并移動(dòng)到電極表面與電極表面的電荷層對(duì)峙，形成雙電層;放電時(shí)，電子通過(guò)負(fù)載由負(fù)極流到正極，正負(fù)離子則從電極表面釋放并返回電解質(zhì)溶液本體，同時(shí)雙電層消失。由此可見(jiàn)雙電層電容器利用電極和電解質(zhì)界面的雙電層來(lái)存儲(chǔ)電荷，充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，故其具有性能穩(wěn)定、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、高低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

3、鋰離子電容器的工作原理

富士重工的HiromotoT等提出了鋰離子電容器的工作原理，如圖3所示。

正極材料是具有雙電層儲(chǔ)能的活性炭材料，負(fù)極材料是具有鋰離子脫嵌功能的插層炭類材料，電解液為鋰鹽電解液。電池在充電時(shí)，鋰離子脫離正極材料的表面，經(jīng)過(guò)電解液和隔膜后插入到負(fù)極材料的晶格中;放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極材料的晶格中脫出，經(jīng)過(guò)電解液返回到正極材料的表面，與正極的電荷形成雙電層。嵌鋰后的負(fù)極電位低，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)。