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

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)，如過渡金屬氧化物LiCoO2、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極材料。

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

充放電過程反應式為：

正極反應：

LiCoO2?Li1-xCoO2+xe+xLi+

負極反應：

xLi++xe+nC?LixCn

電池反應：

LiCoO2+nC?Li1-xCoO2+LixCn

鋰離子電池的工作原理除了“氧化-還原”以外，還基于電化學嵌入-脫出反應，即鋰離子電池在充放電過程中，鋰以離子形式(Li+)作為能量交換的載體，通過電解液，利用鋰離子的嵌入和脫出，在正負極之間搖擺，達到能量交換的目的。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)和使用壽命長等優(yōu)點。

2、超級電容器的工作原理

超級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，電子通過外電源從正極傳到負極，使正極和負極分別帶正電和負電，同時電解質(zhì)溶液本體中的正負離子分離并移動到電極表面與電極表面的電荷層對峙，形成雙電層;放電時，電子通過負載由負極流到正極，正負離子則從電極表面釋放并返回電解質(zhì)溶液本體，同時雙電層消失。由此可見雙電層電容器利用電極和電解質(zhì)界面的雙電層來存儲電荷，充放電過程始終是物理過程，不發(fā)生電化學反應，故其具有性能穩(wěn)定、充放電時間短、循環(huán)壽命長、功率密度大、高低溫性能良好等優(yōu)點。

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能的活性炭材料，負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，鋰離子脫離正極材料的表面，經(jīng)過電解液和隔膜后插入到負極材料的晶格中;放電時，鋰離子從負極材料的晶格中脫出，經(jīng)過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電容器之間的特點。