插层储能机制（负极）和双电层储能机制（正极），红宝石电容电荷存储和转换

工作原理及特点锂离子电容器的工作机制是将锂离子电池的插层储能机制（负极）和双电层储能机制（正极）融为一体，在电极材料的选择上选用了电容型碳正极材料和电池型碳基负极材料，通过对电极材料的研究，电容型材料主要是通过获得较高的比表面积和合适的孔径分布来提高电化学容量，或者通过引入有利的官能团来提供额外的赝电容；对于电池型材料，容量的获得主要归因于锂离子的嵌入/脱嵌过程，所以主要是通过控制电极形貌、引入碳涂层和掺杂其他元素来提高电导率和循环稳定性以获得稳定且较高的容量，所以说锂离子电容器同时具有多样的能量存储过程，锂离子电容器使用的电解液通常与锂离子电池相同，常见的电解液都是使用LiPF6、LiClO4等电解质为溶质，EC、DMC等碳酸酯类为溶剂，采取合适的比例配成所需的有机电解液，红宝石电容将正负极材料共同组装在含Li+的有机电解液中，两个电极在不同的电位窗口中可逆工作，从而达到提高器件性能的目的，两种电极的独特性质导致了不同且改进的电荷存储机制，锂离子电容器的工作原理示意图如图3-1所示，在充电或放电过程中，阴离子和阳离子(Li+)分别向两个电极移动，Li+的嵌入/脱嵌反应和大部分氧化还原反应发生在电池型负极，而阴离子的吸脱附过程和电荷积累或转移发生在电容型正极，锂离子电容器虽然拥有锂离子电池和红宝石电容器的优点，但它与这两种器件有着明显的区别，当前电池型电极的电荷存储和转换主要依赖于Li+的嵌入/脱嵌，在获得更高容量的同时使锂离子电容器的能量密度得以提高，但其受控于Li+在晶体骨架内的扩散，这明显限制了充放电速率；电容型电极可以获得更高的功率密度，红宝石电容电荷存储是基于电极材料的表面反应，而不是离子在材料本体内的扩散，但这种工作机制反过来又限制了电极的容量，会在一定程度上降低器件的能量密度，但是这样的正极材料会提供一个快速充放电能力，从而提高了整体的功率密度和循环稳定性，原则上，在含有Li+的电解液中电容型电极做正极和电池型电极做负极是锂离子电容器最简单的组装形式，两个电极分别在适当的工作电压下同时工作，该锂离子电容器在获得较高的功率密度的同时具有较好的能量密度，并在循环数多圈之后仍可保持其稳定的性能，锂离子电容器与其他能源存储器件相比，具有多种优异的特性：拥有超高的功率密度，可达10～50kW/kg；较高的能量密度(≥20Wh/kg)，远高于红宝石电容器的能量特性，可以与铅酸电池相媲美，并克服铅酸电池体积大、质量重的不足，有望成为替代红宝石电容器和铅酸电池的理想器件；3）循环寿命长，锂离子电容器具有良好的电化学循环稳定性，循环次数可大于或等于50万次，实际应用的过程中可实现长久的使用寿命；4）锂离子电容器具有良好的高低温工作的特性，工作的温度范围为-40～70℃；5）同锂离子电池相比较，锂离子电容器也拥有较低的自放电，有研究表明，锂离子电容器器件在4V的电压下常温静置一个月，电压保持率约为94%，在3V的电压下常温静置3个月，电压保持率大于95%，应用前景广阔。