Kondensatory litowo-jonowe

Kondensator litowo-jonowy (skrót LIC z ang. lithium-ion capacitor) – jest to układ hybrydowy, klasyfikowany jako rodzaj superkondensatora. Stosowanym materiałem katodowym (elektroda dodatnia) jest najczęściej węgiel aktywny, natomiast anoda (elektroda ujemna) tego urządzenia zbudowana jest z materiału węglowego, wcześniej zdomieszkowanego jonami litu. Proces domieszkowania obniża potencjał anody i umożliwia uzyskanie stosunkowo wysokiego napięcia nominalnego w porównaniu ze standardowymi superkondensatorami.

Zasada działania

Lithium-ion capacitors

Kondensatory litowo-jonowe to klasa hybrydowych urządzeń do magazynowania energii elektrochemicznej, tj. łączących mechanizm gromadzenia ładunku charakterystyczny dla superkondensatora (ładowanie/elektrycznej warstwy podwójnej) oraz baterii (interkalacja/deinterkalacja jonów litu). Jako elektrodę dodatnią wykorzystują one materiał węglowy o wysokiej powierzchni specyficznej oraz związek interkalacyjny, który ulega szybkim odwracalnym reakcjom interkalacji jonów litu na elektrodzie ujemnej. Podczas ładowania i rozładowania, zachodzi interkalacja i de-interkalacja jonów litu w obrębie materiału elektrody, podczas gdy na elektrodzie dodatniej następuje adsorpcja i desorpcja jonów w porach materiału węglowego. Ponieważ proces zachodzący na elektrodzie dodatniej jest procesem nie-faradajowskim (nie dochodzi do żadnych reakcji utleniania/redukcji oraz zmian w strukturze materiału), oraz jest on względnie szybki w porównaniu z procesem interkalacji jonu zachodzącym na przeciwległej elektrodzie, moc takiego kondensatora litowo-jonowego ograniczana jest przez elektrodę ujemną[1][2].

Domieszkowanie anody prowadzi do obniżenia jej potencjału, a zatem do uzyskania wyższego napięcia wyjściowego kondensatora. Zazwyczaj napięcie wyjściowe dla kondensatorów litowo-jonowych mieści się w przedziale 3.8-4.0 V. Są one jednak ograniczone napięciem minimalnym 1.8-2.2V, ponieważ jeżeli dojdzie do spadku napięcia poniżej tych wartości, jony litu ulegają de-interkalacji szybciej niż można je przywrócić podczas normalnego użytkowania.

Kondensatory litowo-jonowe mogą przechowywać 5-10 razy więcej energii niż konwencjonalne kondensatory podwójnej warstwy elektrycznej, a w przeciwieństwie do baterii charakteryzują się relatywnie wyższą gęstością mocy oraz dłuższą żywotnością, tj. liczbą cykli pracy ciągłej.

Właściwości

  • wysoka pojemność w porównaniu do konwencjonalnego superkondensatora, ze względu na wysoki ładunek gromadzony przez anodę, niższa jednak niż dla ogniwa litowo-jonowego.
  • wysoka gęstość energii w porównaniu do tradycyjnego superkondensatora (do 20 Wh kg-1), ale niższa w porównaniu do ogniwa litowo-jonowego (tradycyjne superkondensatory 4-40 Wh kg-1[3], baterie litowo-jonowe 100-250 Wh kg-1[4])
  • wysoka gęstość mocy
  • szeroki zakres temperatury pracy – od -20 °C do 70 °C[5]
  • niskie samowyładowanie (spadek napięcia <5% w 25° C w ciągu trzech miesięcy)

Zastosowanie

Kondensatory litowo-jonowe mogą być wykorzystywane w przypadku urządzeń wymagających dużej gęstości energii, dużej gęstości mocy oraz wysokiej trwałości. Dzięki wymienionym parametrom użytkowym, nie ma potrzeby stosowania dodatkowych urządzeń w różnego rodzaju aplikacjach, co powoduje obniżenie kosztów.

Ich potencjalne zastosowanie to na przykład systemy UPS, kompensacja spadków napięcia, przechowywanie energii słonecznej, czy też systemy odzyskiwania energii w maszynach przemysłowych oraz w transporcie.

Przypisy

  1. ↑ Y. Firouz i inni, Lithium-ion capacitor – Characterization and development of new electrical model, „Energy”, 83, 2015, s. 597–613, DOI: 10.1016/j.energy.2015.02.069, ISSN 0360-5442 [dostęp 2019-10-31].
  2. ↑ S.R. Sivakkumar, A.G. Pandolfo, Evaluation of lithium-ion capacitors assembled with pre-lithiated graphite anode and activated carbon cathode, „Electrochimica Acta”, 65, 2012, s. 280–287, DOI: 10.1016/j.electacta.2012.01.076, ISSN 0013-4686 [dostęp 2019-10-31].
  3. ↑ Cheng Zhong i inni, A review of electrolyte materials and compositions for electrochemical supercapacitors, „Chemical Society Reviews”, 44 (21), 2015, s. 7484–7539, DOI: 10.1039/C5CS00303B, ISSN 0306-0012 [dostęp 2019-10-31] (ang.).
  4. ↑ Prasant Kumar Nayak i inni, From Lithium-Ion to Sodium-Ion Batteries: Advantages, Challenges, and Surprises, „Angewandte Chemie International Edition”, 57 (1), 2018, s. 102–120, DOI: 10.1002/anie.201703772, ISSN 1521-3773 [dostęp 2019-10-31] (ang.).
  5. ↑ Chang Liu i inni, Advanced Materials for Energy Storage, „Advanced Materials”, 22 (8), 2010, E28–E62, DOI: 10.1002/adma.200903328, ISSN 1521-4095 [dostęp 2019-10-31] (ang.).