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Von 1981 bis 2021: Wie spannend ist die Geschichte der Lithium-Ionen-Kondensatoren?
Ein Lithium-Ionen-Kondensator (LIC) ist ein Hybridkondensator, der den Energiespeichermechanismus von Lithium-Ionen-Batterien mit den strukturellen Eigenschaften von Superkondensatoren kombiniert. Seit ihrer Einführung im Jahr 1981 war die Entwicklung von Lithium-Ionen-Kondensatoren ebenso voller Innovationen und Durchbrüche wie der Kondensator selbst. In den letzten vier Jahrzehnten hat diese Technologie nicht nur Veränderungen in der Speicherung elektrischer Energie vorangetrieben, sondern auch umfangreiche Forschungen in verwandten Bereichen angestoßen. Lassen Sie uns diese spannende historische Reise gemeinsam erkunden.
Historischer Hintergrund1981 entwickelte Dr. Yamabe von der Universität Kyoto in Zusammenarbeit mit Dr. Yata von der Kanebo Corporation ein Material namens PAS, eine Technologie, die den Grundstein für die Geburt von Lithium-Ionen-Kondensatoren legte.
In den frühen 1980er Jahren meldete Kanebo mehrere Patente an und begann, sich auf die Kommerzialisierung von PAS-Kondensatoren und Lithium-Ionen-Kondensatoren zu konzentrieren. Der erste PAS-Kondensator war 1986 im Handel erhältlich, Lithium-Ionen-Kondensatoren folgten 1991. Mit der Zeit haben Wissenschaft und Industrie das Potenzial von Lithium-Ionen-Kondensatoren erkannt und Forschungsteams haben hart daran gearbeitet, die Leistung von Elektroden und Elektrolyten zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern. Im Jahr 2010 entwickelten Naoi et al. erfolgreich ein Verbundmaterial aus nanostrukturiertem Lithiumtitanoxid (LTO) und Kohlenstoffnanofasern und brachten damit die Technologie auf ein neues Niveau.
Konzept der Lithium-Ionen-Kondensatoren
Lithium-Ionen-Kondensatoren sind hybride elektrochemische Energiespeicher, die den Interkalationsmechanismus der negativen Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien mit dem Doppelschichtmechanismus elektrischer Doppelschichtkondensatoren kombinieren. Durch diesen Aufbau erreicht die Energiedichte der Lithium-Ionen-Kondensatoren etwa 20 W⋅h/kg und ist damit vier- bis fünfmal so hoch wie die von herkömmlichen elektrischen Doppelschichtkondensatoren. Trotz ihrer hohen Energiedichte verfügen Lithium-Ionen-Kondensatoren über eine mit elektrischen Doppelschichtkondensatoren vergleichbare Leistungsdichte, da sie innerhalb weniger Sekunden entladen werden können.
Elektrodenstruktur
Die negative Elektrode eines Lithium-Ionen-Kondensators ist eine batterieähnliche Elektrode mit hoher Energiedichte, die durch die reversible Interkalationsreaktion von Lithium-Ionen große Mengen elektrischer Energie speichern kann. Allerdings ist die Elektrodenverschlechterung ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion. Mit dem Fortschritt der Technologie wurden immer mehr neue Elektrodenmaterialien vorgeschlagen, unter denen Lithiumtitanoxid (LTO) aufgrund seiner hervorragenden Leistung große Aufmerksamkeit erregt hat.
Zu den Vorteilen von Lithiumtitanoxid gehören eine hohe Coulomb-Effizienz, eine stabile Betriebsspannungsplattform und eine minimale Volumenänderung während der Lithium-Interkalation.
Elektrolyt und Isolator
Ein kinetisch einwandfreier Elektrolyt ist für die Leistung von Lithium-Ionen-Kondensatoren von entscheidender Bedeutung. Ein idealer Elektrolyt sollte eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen, damit die Lithiumionen die Elektrodenstellen effizient erreichen können. Um Leistungseinbußen durch die Reaktion von Wasser mit Lithiumionen zu vermeiden, werden daher üblicherweise nichtwässrige Lithiumionensalzlösungen verwendet.
Vorteile und Eigenschaften von Lithium-Ionen-Kondensatoren
Lithium-Ionen-Kondensatoren haben im Allgemeinen eine höhere Permittivität und eine bessere Energiedichte als herkömmliche Kondensatoren, aber ihre Energiedichte ist immer noch niedriger als die von Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Kondensatoren weisen eine gute Leistung im Betriebstemperaturbereich, eine niedrige Selbstentladungsrate und eine hohe Zyklenlebensdauer auf, was sie für zahlreiche Anwendungen zur idealen Wahl macht.
Vergleich mit anderen Technologien
Lithium-Ionen-Kondensatoren übertreffen herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien in Leistungsdichte und Sicherheit und haben natürlich auch höhere Ausgangsspannungen. Im Vergleich zu elektrischen Doppelschichtkondensatoren verfügen Lithium-Ionen-Kondensatoren über eine höhere Energiedichte, sind diesen jedoch in der Zyklenlebensdauer unterlegen. Insgesamt gesehen sind Lithium-Ionen-Kondensatoren eine eigenständige Technologie, die sich für viele spezifische Anwendungsszenarien eignet.
Zukünftige Entwicklung und Anwendungen
Mit dem fortschreitenden technologischen Fortschritt nehmen auch die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten von Lithium-Ionen-Kondensatoren zu. Ob in Windkraftanlagen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen oder der regenerativen Bremsung schwerer Fahrzeuge: Lithium-Ionen-Kondensatoren haben eine überlegene Leistung bewiesen. Der Aufwärtstrend dieser Anwendungen zeigt das enorme Marktpotenzial.
Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Kondensatoren ist das Ergebnis der Schnittstelle zwischen Materialwissenschaft und elektrochemischer Technologie und jeder Schritt hat uns neue Möglichkeiten gebracht. Ob Lithium-Ionen-Kondensatoren in Zukunft den steigenden Energiebedarf decken können und das Konzept einer nachhaltigen Entwicklung gewährleistet ist, ist zu einem Thema geworden, über das wir gründlich nachdenken müssen.
