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鋰離子電容器充放電產熱特性研究

更新時間：2023-08-03  |  點擊率：875

本期預覽

    本(ben)文利用BIC-400A等溫(wen)量(liang)熱儀對(dui)鋰離子電容(rong)(rong)器充放電產熱特性進行了研究，測定(ding)和對(dui)比(bi)了不同(tong)充放電方法下電容(rong)(rong)器的產熱功率變(bian)化，并(bing)計算得(de)到了放熱量(liang)（Q）和最大放熱功率（qmax）等參數。



前言


鋰離子電容器(Lithium-ion Capacitor, LIC) 是(shi)一種重要的(de)(de)新(xin)型(xing)功率型(xing)儲(chu)能(neng)器件(jian)，近年來(lai)受到廣泛關注(zhu)，其(qi)兼具鋰(li)離子電池(chi)與超(chao)級電容器的(de)(de)特性，可以(yi)實現長達15min的(de)(de)持續充(chong)/放電，功率調節速率是(shi)傳統(tong)發電機(ji)組的(de)(de)1.4倍以(yi)上，可以(yi)滿足負載對(dui)供能(neng)設備高(gao)(gao)能(neng)量密度和高(gao)(gao)功率密度的(de)(de)雙重需求(qiu)，并(bing)具有良好的(de)(de)經(jing)濟性和高(gao)(gao)低(di)溫性能(neng)。但鋰(li)離子電容器在高(gao)(gao)功率輸出情(qing)況下容易導致過熱(re)(re)，降(jiang)低(di)其(qi)使用壽(shou)命甚至會(hui)產生(sheng)安全隱患，因(yin)此(ci)有必要對(dui)其(qi)充(chong)放電產熱(re)(re)情(qing)況進行評(ping)估[1]。


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圖1 LIC和LIB、EDLC的(de)原理和區別



本文利用仰儀科技等溫量熱儀(BIC-400A)測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熱特性，并基于產熱功率曲線計算得到Q和qmax等數據。相關結果有(you)助于驗證或改進(jin)針對LIC的(de)熱管(guan)理(li)策略，確(que)保LIC的(de)性能發揮和使用安全。 



實驗部分



1. 樣品準備

實驗樣品：鋰(li)離子電容器(qi)（正極：活性(xing)炭/NCM, 負極：石墨），電壓4.2V，標稱容量21000F。

2. 實驗條件
實驗儀器：BIC-400A等溫(wen)量熱儀；
工作模式：功率補(bu)償等溫量熱(re)模式；
標準勻(yun)熱(re)塊(kuai)：6061鋁合金，230mm*160mm*10mm*2塊(kuai)；
加熱(re)(re)片參數：Pi加熱(re)(re)膜，230mm*160mm*0.35mm*2張(zhang)，5.70Ω；
循環(huan)油(you)浴溫(wen)度：15℃；
環境溫度：恒溫25℃。
3. 測試過程
Step1：打開等溫量熱(re)儀蓋板，至下向上依次安(an)裝勻熱(re)塊-加熱(re)片-導熱(re)硅脂墊(dian)(dian)-電池樣品-導熱(re)硅脂墊(dian)(dian)-加熱(re)片-勻熱(re)塊，如圖2，保證(zheng)各部件(jian)之間不產生間隙(xi)；
Step2：將測溫傳(chuan)感(gan)器包(bao)埋至(zhi)勻熱塊內中心(xin)位置點(dian)，并將電(dian)源線及(ji)電(dian)壓線分(fen)別連(lian)接至(zhi)電(dian)池正負極(ji)；
Step3：關閉儀器蓋板，設置實(shi)驗條件(jian)，點擊“開始"按鈕啟動(dong)實(shi)驗，充放(fang)電工步如表1所示。


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圖2 等溫量熱儀結構與制(zhi)樣裝樣過程


表1 實(shi)驗(yan)設置參(can)數表


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實驗結果



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圖3 鋰離子(zi)電(dian)(dian)容器恒(heng)流恒(heng)壓充電(dian)(dian)（左(zuo)）和恒(heng)流放電(dian)(dian)（右）放熱功率曲(qu)線

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圖4 Q和qmax隨工作電流變化曲線


鋰離子電容器的產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。電極反應產生的可逆熱在充電過程中表現為吸熱，在放電過程中表現為放熱；電阻引起的焦耳熱根據歐姆定律與充放電電流的平方呈正比；極化過程受反應速率和擴散控制，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熱功率變化趨勢與極化現象較明顯的鋰離子電池具有較高的相似度，充電產熱量小于相同工況下的放電產熱量，且Q與隨工作電流呈現線性上升趨勢，qmax與電流值的二次函數擬合程度較高。而利用較小的電流充電時，電容器同樣會表現出吸熱現象[2]。


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圖5 鋰離(li)子電(dian)容(rong)器恒功(gong)(gong)率(lv)充電(dian)（左）和恒功(gong)(gong)率(lv)放(fang)電(dian)（右）放(fang)熱功(gong)(gong)率(lv)曲線

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圖6 超級電容器恒功率充放(fang)電結(jie)果匯總


鋰離子電容器恒功率充放電產熱特性如圖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際使用工況，且電容器輸出功率可能遠超實驗設置的最高功率400W，熱效應將十分顯著，因此需要通過測試獲得準確的產熱數值后制定合適的熱管理方(fang)案。

結論與展望


利用(yong)BIC-400A等溫量熱儀分(fen)析了鋰電(dian)池電(dian)容器(qi)的(de)充放電(dian)產熱(re)特性(xing)，相關結果能(neng)夠輔助這一類新型儲能(neng)器(qi)件(jian)的(de)熱(re)管(guan)理設計，同時幫助技術人員研(yan)究電(dian)化學儲能(neng)裝置(zhi)在工作狀態下的(de)熱(re)動力學過程，開發(fa)性(xing)能(neng)更加優異的(de)產品。