鋰電容器是一種全新的儲能裝置，與超級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、高靜電容量和長循環壽命等顯著優點，因此在新能源車輛、太陽能和風能等領域具有廣泛應用前景。其工作原理也與鋰離子電池和超級電容器存在差異。

　　1、鋰離子電池的運作機理

　　鋰離子電池是目前發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。例如，過渡金屬氧化物LiCoO2、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極材料。

　　鋰離子電池的工作原理是利用石墨作為負極和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勢梯度遷移至負極。在電荷平衡的要求下，正極會向外電路流出等量電子以供負極使用。一旦鋰離子到達負極，它們就會嵌入負極材料晶格中，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，鋰離子離開負極晶格，重新匯聚到正極，形成LiCoO2。

　　反應式表示電池的充放電過程：

　　正極反應：

　　鋰鈷氧化物LiCoO2?Li?-xCoO2+xe+xLi+

　　負極反應：

　　Li++xe-+nC?Li(x)C(n)

　　電池反應：

　　LiCoO2加上n倍數的碳會發生反應，反應產物為Li1-xCoO2和LixCn。

　　除了“氧化-還原”反應外，鋰離子電池的工作原理還涉及電化學嵌入-脫出反應。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，在正負極之間進行嵌入和脫出，以實現能量的轉換。相較于其他類型的電池，鋰離子電池具有許多優點，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循環和使用壽命。

　　2、超級電容器是一種能夠電子快速儲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反應，而不是傳統電容器中的電場積累。

　　當超級電容器充電時，電荷集中在電極表面，并通過電解質傳遞離子。這些離子被負極和正極之間的電勢差加速，形成一個雙層電容器。這個雙層電容器使超級電容器能夠儲存大量的電荷，在短時間內提供大量的電流。

　　當需要釋放電能時，電荷會被快速地釋放回電解質中。這種放電方式可以重復使用，因為離子在電解質中循環使用，同時還能夠承受高速放電的影響。

　　超級電容器由于其大電流密度和長周期壽命的特性，被廣泛應用于能量儲存和轉換系統，特別是在需要快速充電和放電的應用中。

　　超級電容器通常由電極、電解液、集電體和隔膜等部分組成。在工作原理方面，當電容器充電時，電子從外部電源流向負極，經過電解質溶液本體，使得正極和負極帶上正/負電荷，同時，溶液中的正/負離子會沿著電極表面移動，與電極表面的電荷相對立，形成對稱的雙電層。當電容器需要放電時，電子則從負極流向正極通過負載。此時正/負離子從電極表面移開，返回電解質溶液本體，電容器的雙電層也會隨著消失。通過以上描述可以看出，雙電層電容器利用電極和電解質之間的雙電層來儲存電荷。充、放電過程是物理過程，不會引發任何電化學反應，所以其具備著性能穩定、充電速度快、循環壽命長、功率密度大、以及出色的高低溫適應性。

　　3、鋰離子電容器的原理可以解釋如下：在一個離子介質中，帶正電荷的鋰離子會被嵌入到其間隙中，當電容器處于充電狀態時，鋰離子會從正極移動到負極，使得電荷積累在電極之間，構成儲能的狀態。當電容器需要輸出能量時，鋰離子會沿著相反的方向移動，將電荷釋放出來，驅動外部電路。由于鋰離子電容器具有高能量密度和較長的循環壽命，被廣泛應用于醫療器械、儲能站、航空航天等領域。

　　HiromotoT和富士重工的團隊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，鋰離子從正極材料的表面離開，經過電解液和隔膜后插入到負極材料的晶格中。在放電時，鋰離子從負極材料的晶格中脫出，經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電容器之間的特點。

　　4、鋰離子電容器相較于鋰離子電池和超級電容器具有的優勢是什么?

　　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到最高4V的電壓水平，這跟鋰離子電池相當接近，但比雙層電容器高出不少。同時，鋰離子電容器的自放電現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。一旦電池發生短路，它便會迅速發生整體的熱分解反應，并導致與電解液反應產生燃燒。相對而言，鋰離子電容器的正極采用了活性碳，即使發生內部短路，也會與負極發生反應，但不會與電解液反應，因此理論上比鋰電池更為安全。

　　壽命長

　　為了使鋰離子電池達到長壽命的效果，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電池的實際壽命。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，因此它們具有長壽命的特點。但是，僅有這一點很難延長實際壽命。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大幅下降，從而可以確保容量。

　　耐高溫

　　若處于高溫環境下，則電解液和正極易發生氧化分解。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離氧化分解區域，使用正極電位較高的位置，因此具備卓越的高溫性能。

　　5、鋰離子電容器的應用和產業化現狀

　　鋰離子電容器是一種新興的電化學儲能裝置，具有廣泛的應用前景和潛力。它采用鋰離子在正負極之間進行離子遷移來存儲和釋放電能，具有高能量密度、長循環壽命、快速充放電等特點，被廣泛應用于電動車輛、可再生能源儲存、智能電網等領域。

　　目前，鋰離子電容器的產業化發展已取得了顯著的進展。國內外許多公司和研究機構都在積極投入研發和生產，推動鋰離子電容器技術的突破和創新。在應用領域方面，電動車輛市場是鋰離子電容器最具潛力和市場需求的領域之一。隨著電動汽車的普及，對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車輛儲能系統的重要組成部分。

　　此外，可再生能源儲存也是鋰離子電容器的重要應用領域之一。隨著可再生能源如太陽能和風能的快速發展，能源儲存成為解決間斷性供電和平衡能源需求的關鍵問題。鋰離子電容器能夠快速響應并平衡能量需求，為可再生能源的穩定供應提供支持。

　　智能電網領域也是鋰離子電容器應用的重要領域之一。智能電網需要具備能量儲存和調節能力，以應對能源波動和電網需求的變化。鋰離子電容器的高能量密度和快速響應特性使其成為智能電網中的理想能量儲存裝置。

　　綜上所述，鋰離子電容器在電動車輛、可再生能源儲存和智能電網等領域具有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷進步和產業化的推進，鋰離子電容器有望在能源存儲領域發揮越來越重要的作用。

　　鋰離子電容器產業的上游主要包括正負極原材料、電解液、隔膜、穿孔集流體和單質金屬鋰極等;中游則包括各種形狀和規格不同的鋰離子電容單體及其系統集成的模塊;下游則主要應用于終端市場需求。目前，日本市場已初步開放，隨后將在全球市場推廣，如風力發電、LED照明、太陽能發電和混合動力汽車等領域。

　　當前，這些產業主要受國外公司控制。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;而日本嘉娜寶公司、吳羽化學和ATEC公司等則掌握聚合苯、硬炭等負極材料技術。此外，FERRO公司和HONEYWELL公司在電解液領域處于主導地位，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社壟斷。國內目前只有少數幾家公司正在開發鋰離子電容器的正極活性炭和負極硬炭材料。

　　超級電容器和鋰電池各有優缺點。超級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原理制成的化學電池。因此，它們本質上是兩種不同的技術，超級電容器通過物理方式儲存電荷，而鋰電池則通過將化學能轉化為電能來工作。

　　就使用方面而言，超級電容的內阻更小，因此可以瞬間釋放更大的電流。與所有化學電池不同的是，超級電容不受溫度影響。當溫度過低時，化學電池的容量會降低，內阻變大。但是由于超級電容是通過純物理原理實現的，因此其壽命更長。

　　然而，超級電容器因其極低的內阻，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。它的缺點包括能量密度較低和高昂的價格。