前言

鋰離子電容器(Lithium-ion Capacitor, LIC) 是一種重要的新型功率型儲能器件，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，其兼具鋰離子電池與超級電容器的特性，可以實(shí)現長(cháng)達15min的持續充/放電，功率調節速率是傳統發(fā)電機組的1.4倍以上，可以滿(mǎn)足負載對供能設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致過(guò)熱，降低其使用壽命甚至會(huì )產(chǎn)生安全隱患，因此有必要對其充放電產(chǎn)熱情況進(jìn)行評估^[1]。

圖1 LIC和LIB、EDLC的原理和區別

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(chǎn)熱特性，并基于產(chǎn)熱功率曲線(xiàn)計算得到Q和qmax等數據。相關(guān)結果有助于驗證或改進(jìn)針對LIC的熱管理策略，確保LIC的性能發(fā)揮和使用安全。

實(shí)驗部分

1. 樣品準備

實(shí)驗樣品：鋰離子電容器（正極：活性炭/NCM, 負極：石墨），電壓4.2V，標稱(chēng)容量21000F。

2. 實(shí)驗條件

實(shí)驗儀器：BIC-400A等溫量熱儀；

工作模式：功率補償等溫量熱模式；

標準勻熱塊：6061鋁合金，230mm*160mm*10mm*2塊；

加熱片參數：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-導熱硅脂墊-電池樣品-導熱硅脂墊-加熱片-勻熱塊，如圖2，保證各部件之間不產(chǎn)生間隙；

Step2：將測溫傳感器包埋至勻熱塊內中心位置點(diǎn)，并將電源線(xiàn)及電壓線(xiàn)分別連接至電池正負極；

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

圖2 等溫量熱儀結構與制樣裝樣過(guò)程

表1 實(shí)驗設置參數表

實(shí)驗結果

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(xiàn)

圖4 Q和qmax隨工作電流變化曲線(xiàn)

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。電極反應產(chǎn)生的可逆熱在充電過(guò)程中表現為吸熱，在放電過(guò)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(guò)程受反應速率和擴散控制，極化熱通常也隨著(zhù)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(chǎn)熱量小于相同工況下的放電產(chǎn)熱量，且Q與隨工作電流呈現線(xiàn)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(shí)，電容器同樣會(huì )表現出吸熱現象^[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(xiàn)

圖6 超級電容器恒功率充放電結果匯總

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(zhù)功率線(xiàn)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超實(shí)驗設置的最高功率400W，熱效應將十分顯著(zhù)，因此需要通過(guò)測試獲得準確的產(chǎn)熱數值后制定合適的熱管理方案。

結論與展望

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)結果能夠輔助這一類(lèi)新型儲能器件的熱管理設計，同時(shí)幫助技術(shù)人員研究電化學(xué)儲能裝置在工作狀態(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。

參考文獻

[1] Schiffer J, Linzen D, Sauer D U. Heat generation in double layer capacitors[J]. Journal of Power Sources, 2006, 160(1): 765-772.

[2]閔凡奇,呂桃林,付詩(shī)意等.鋰離子電容器的熱特性及熱模型[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2022,11(08):2629-2636.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0235.