应用案例｜锂离子电容器充放电产热特性研究

本期预览

本文利用BIC-400A等温量热仪对锂离子电容器充放电产热特性进行了研究，测定和对比了不同充放电方法下电容器的产热功率变化，并计算得到了放热量（Q）和Z 大放热功率（qmax）等参数。

前言

锂离子电容器(Lithium-ion Capacitor, LIC) 是一种重要的新型功率型储能器件，近年来受到广泛关注，其兼具锂离子电池与超级电容器的特性，可以实现长达15min的持续充/放电，功率调节速率是传统发电机组的1.4倍以上，可以满足负载对供能设备高能量密度和高功率密度的双重需求，并具有良好的经济性和高低温性能。但锂离子电容器在高功率输出情况下容易导致过热，降低其使用寿命甚至会产生安全隐患，因此有必要对其充放电产热情况进行评估[1]。

图1 LIC和LIB、EDLC的原理和区别

本文利用仰仪科技等温量热仪(BIC-400A)测定了锂离子电容器在恒流放电、恒流恒压充电以及恒功率充放电工况下的产热特性，并基于产热功率曲线计算得到Q和qmax等数据。相关结果有助于验证或改进针对LIC的热管理策略，确保LIC的性能发挥和使用安全。 

实验部分

1. 样品准备

实验样品：锂离子电容器（正极：活性炭/NCM, 负极：石墨），电压4.2V，标称容量21000F。

2. 实验条件实验仪器：BIC-400A等温量热仪；工作模式：功率补偿等温量热模式；标准匀热块：6061铝合金，230mm*160mm*10mm*2块；加热片参数：Pi加热膜，230mm*160mm*0.35mm*2张，5.70Ω；循环油浴温度：15℃；环境温度：恒温25℃。3. 测试过程Step1：打开等温量热仪盖板，至下向上依次安装匀热块-加热片-导热硅脂垫-电池样品-导热硅脂垫-加热片-匀热块，如图2，保证各部件之间不产生间隙；Step2：将测温传感器包埋至匀热块内中心位置点，并将电源线及电压线分别连接至电池正负极；Step3：关闭仪器盖板，设置实验条件，点击“开始”按钮启动实验，充放电工步如表1所示。

图2 等温量热仪结构与制样装样过程

表1 实验设置参数表

实验结果

图3 锂离子电容器恒流恒压充电（左）和恒流放电（右）放热功率曲线

图4 Q和qmax随工作电流变化曲线

锂离子电容器的产热原理与锂离子电池基本一致，由可逆热、焦耳热和极化热组成。电极反应产生的可逆热在充电过程中表现为吸热，在放电过程中表现为放热；电阻引起的焦耳热根据欧姆定律与充放电电流的平方呈正比；极化过程受反应速率和扩散控制，极化热通常也随着充放电电流的增大而增大。如图3和图4所示，锂离子电容器的充放电产热功率变化趋势与极化现象较明显的锂离子电池具有较高的相似度，充电产热量小于相同工况下的放电产热量，且Q与随工作电流呈现线性上升趋势，qmax与电流值的二次函数拟合程度较高。而利用较小的电流充电时，电容器同样会表现出吸热现象[2]。

图5 锂离子电容器恒功率充电（左）和恒功率放电（右）放热功率曲线

图6 超级电容器恒功率充放电结果汇总

锂离子电容器恒功率充放电产热特性如图5和图6所示，电容器的qmax大致上随着功率线性增加，且在同功率下，恒功率放电的Q和qmax均大于恒功率充电。恒功率输出更加符合实际使用工况，且电容器输出功率可能远超实验设置的Z 高功率400W，热效应将十分显著，因此需要通过测试获得准确的产热数值后制定合适的热管理方案。

结论与展望

利用BIC-400A等温量热仪分析了锂电池电容器的充放电产热特性，相关结果能够辅助这一类新型储能器件的热管理设计，同时帮助技术人员研究电化学储能装置在工作状态下的热动力学过程，开发性能更加优异的产品。

参考文献[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]闵凡奇,吕桃林,付诗意等.锂离子电容器的热特性及热模型[J].储能科学与技术,2022,11(08):2629-2636.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0235.