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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:759

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    本文利用BIC-400A等溫量熱儀對鋰離子電容器充放電產(chǎn)熱特性進(jìn)行了研究,測定和對比了不同充放電方法下電容器的產(chǎn)熱功率變化,并計算得到了放熱量(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]。


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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。


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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


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實(shí)驗結果



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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)

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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]。


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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)

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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。

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