鋰離子電容器充放電產(chǎn)熱特性研究

更新時(shí)間：2023-08-03 | 點(diǎn)擊率：911

本期預(yù)覽

本文利用BIC-400A等溫量熱儀對(duì)鋰離子電容器充放電產(chǎn)熱特性進(jìn)行了研究，測(cè)定和對(duì)比了不同充放電方法下電容器的產(chǎn)熱功率變化，并計(jì)算得到了放熱量（Q）和最大放熱功率（qmax）等參數(shù)。

前言

鋰離子電容器(Lithium-ion Capacitor, LIC) 是一種重要的新型功率型儲(chǔ)能器件，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，其兼具鋰離子電池與超級(jí)電容器的特性，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)15min的持續(xù)充/放電，功率調(diào)節(jié)速率是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的1.4倍以上，可以滿足負(fù)載對(duì)供能設(shè)備高能量密度和高功率密度的雙重需求，并具有良好的經(jīng)濟(jì)性和高低溫性能。但鋰離子電容器在高功率輸出情況下容易導(dǎo)致過(guò)熱，降低其使用壽命甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患，因此有必要對(duì)其充放電產(chǎn)熱情況進(jìn)行評(píng)估^[^1]。

圖1 LIC和LIB、EDLC的原理和區(qū)別

本文利用仰儀科技等溫量熱儀(BIC-400A)測(cè)定了鋰離子電容器在恒流放電、恒流恒壓充電以及恒功率充放電工況下的產(chǎn)熱特性，并基于產(chǎn)熱功率曲線計(jì)算得到Q和qmax等數(shù)據(jù)。相關(guān)結(jié)果有助于驗(yàn)證或改進(jìn)針對(duì)LIC的熱管理策略，確保LIC的性能發(fā)揮和使用安全。

實(shí)驗(yàn)部分

1. 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)樣品：鋰離子電容器（正極：活性炭/NCM, 負(fù)極：石墨），電壓4.2V，標(biāo)稱容量21000F。

2. 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器：BIC-400A等溫量熱儀；

工作模式：功率補(bǔ)償?shù)葴亓繜崮Ｊ剑?/span>

標(biāo)準(zhǔn)勻熱塊：6061鋁合金，230mm*160mm*10mm*2塊；

加熱片參數(shù)：Pi加熱膜，230mm*160mm*0.35mm*2張，5.70Ω；

循環(huán)油浴溫度：15℃；

環(huán)境溫度：恒溫25℃。

3. 測(cè)試過(guò)程

Step1：打開(kāi)等溫量熱儀蓋板，至下向上依次安裝勻熱塊-加熱片-導(dǎo)熱硅脂墊-電池樣品-導(dǎo)熱硅脂墊-加熱片-勻熱塊，如圖2，保證各部件之間不產(chǎn)生間隙；

Step2：將測(cè)溫傳感器包埋至勻熱塊內(nèi)中心位置點(diǎn)，并將電源線及電壓線分別連接至電池正負(fù)極；

Step3：關(guān)閉儀器蓋板，設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件，點(diǎn)擊“開(kāi)始"按鈕啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，充放電工步如表1所示。

圖2 等溫量熱儀結(jié)構(gòu)與制樣裝樣過(guò)程

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 鋰離子電容器恒流恒壓充電（左）和恒流放電（右）放熱功率曲線

圖4 Q和qmax隨工作電流變化曲線

鋰離子電容器的產(chǎn)熱原理與鋰離子電池基本一致，由可逆熱、焦耳熱和極化熱組成。電極反應(yīng)產(chǎn)生的可逆熱在充電過(guò)程中表現(xiàn)為吸熱，在放電過(guò)程中表現(xiàn)為放熱；電阻引起的焦耳熱根據(jù)歐姆定律與充放電電流的平方呈正比；極化過(guò)程受反應(yīng)速率和擴(kuò)散控制，極化熱通常也隨著充放電電流的增大而增大。如圖3和圖4所示，鋰離子電容器的充放電產(chǎn)熱功率變化趨勢(shì)與極化現(xiàn)象較明顯的鋰離子電池具有較高的相似度，充電產(chǎn)熱量小于相同工況下的放電產(chǎn)熱量，且Q與隨工作電流呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)，qmax與電流值的二次函數(shù)擬合程度較高。而利用較小的電流充電時(shí)，電容器同樣會(huì)表現(xiàn)出吸熱現(xiàn)象^[2^]。

圖5 鋰離子電容器恒功率充電（左）和恒功率放電（右）放熱功率曲線

圖6 超級(jí)電容器恒功率充放電結(jié)果匯總

鋰離子電容器恒功率充放電產(chǎn)熱特性如圖5和圖6所示，電容器的qmax大致上隨著功率線性增加，且在同功率下，恒功率放電的Q和qmax均大于恒功率充電。恒功率輸出更加符合實(shí)際使用工況，且電容器輸出功率可能遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)設(shè)置的最高功率400W，熱效應(yīng)將十分顯著，因此需要通過(guò)測(cè)試獲得準(zhǔn)確的產(chǎn)熱數(shù)值后制定合適的熱管理方案。

結(jié)論與展望

利用BIC-400A等溫量熱儀分析了鋰電池電容器的充放電產(chǎn)熱特性，相關(guān)結(jié)果能夠輔助這一類新型儲(chǔ)能器件的熱管理設(shè)計(jì)，同時(shí)幫助技術(shù)人員研究電化學(xué)儲(chǔ)能裝置在工作狀態(tài)下的熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程，開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)異的產(chǎn)品。

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