恒功率充放电条件下锂离子电容器的循环性能.pdf

电力设备自动化应用恒功率充放电条件下锂离子电容器的循环性能邵国柱,姜汉兵,许检红,杨恩东（南通江海电容器股份有限公司，江苏南通2 2 6 30 0）摘要：本文探究了恒功率充放电条件下锂离子电容器的循环性能，为有效评估其在恒功率充放电条件下的循环性能及健康状态，以恒功率为前提，开展了循环次数（1 2 0 0 次）、充电时间（1 3h）、工作温度（5 45)下锂离子电容器循环性能的测试，以研究3种因素对锂离子电容器循环性能的相关影响，为锂离子在不同条件下开展锂离子电容器加速老化寿命测试提供一定参考。关键词：锂电子电容器，LIC循环性能，充放电测试中图分类号：TM53，T M 9 10Cyclic Performance of Lithium-Ion Capacitor under Constant Power Charging andAbstract:This paper explores the cycling performanc e of lithium-ion capacitors under constant power charging anddischarging conditions.In order to effectively evaluate their cycling performance and health status under constant powercharging and discharging conditions,tests were conducted on the cycling performance of lithium-ion capacitors under constantpower conditions,including cycling times(1200 times),charging time(13 hours),and working temperature(545 C),to investigate the relevant effects of three factors on the cycling performance of lithium-ion capacitors,provide a certainreference for conducting accelerated aging life testing of lithium-ion capacitors under different conditions.Key words:lithium-ion capacitors,LIC cycle performance,charge and discharge test文献标识码：ADischarging ConditionsSHAO Guozhu,JIANG Hanbing,XU Jianhong,YANG Endong(Nantong Jianghai Capacitor Co.,Ltd.,Nantong,Jiangsu 226300,China)0引言锂离子电容器是一种高性能、高能量密度和高功率密度的电容器，应用前景广阔，包括电动汽车、可再生能源储能系统、智能手机和其他便携式电子设备等。锂离子电容器的循环性能通常使用循环寿命和循环效率进行描述1。循环寿命是指锂离子电容器在恒功率充放电条件下经过多次循环后，容量下降到原始容量的8 0%。循环寿命取决于锂离子电容器的电极材料、电解液、电容器结构等因素。循环效率是指锂离子电容器(Lithium-Ion Capacitor,LIC)在充放电循环中,能量损失的比例。锂离子电容器的循环效率高，说明其在充放电过程中能量损失较小，电容器的能量利用率高。本文选用LSH20的锂离子电容器为测试对象，针对不同影响因素，如温度、工作时间，进行了多次不同控制变量的试验，以探究锂离子电容器的循环性能，为锂离子电容器的寿命评估方面提供一定的参考依据。作者简介：邵国柱，男，19 6 3年生，副高级工程师，研究方向为电能源。通讯作者：杨恩东，男，19 7 3年生，副高级工程师，研究方向为电能源。1 试验1.1 试验的目的本试验通过在恒功率固定条件下对锂离子电容器进行充电、放电、充放电等操作，测试恒功率充放电条件下不同影响因素对锂离子电容器循环性能的影响，以在实际应用中根据具体的应用场景和要求，综合考虑各种因素,提高锂离子电容器的循环性能，延长使用寿命。1.2 测试对象锂离子电容器是一种结合了锂离子电池和超级电容器的新型电容器,具有高能量密度和高功率密度的优点2。本文以LSH20型号的锂离子电容器作为本试验的测试对象。LSH20由正负极电极、分隔膜、电解质和外壳组成3。其中,正负极电极分别由石墨、活性炭和聚丙烯薄膜组成，分隔膜由聚乙烯醇(PVA)材料制成,电解质为锂盐和有机溶剂的混合物。LSH20外壳采用金属壳体，具有良好的密封性和机械强度。2023/16期/10 5自动化应用电力设备1.3测试设备可用于测试锂离子电容器的软硬件设备包括电容器测试仪、循环充放电测试仪、多功能电容器测试仪、恒流源、数据采集系统、电容器模拟软件等4。恒功率充放电测试需要使用专业的测试仪器和软件，如ArbinInstruments(美国阿宾仪器)公司的恒功率充放电测试系统，该系统可以通过电流、电压、容量、内阻等参数实时监测电容器，并实现自动化测试。本文以NEWAREBTS-4000(型号）循环充放电测试仪为例开展相关试验。1.4测试方法在恒功率充放电条件下，锂离子电容器循环性能测试涉及的数学原理公式主要包括电容器的放电特性、容量计算、以及循环寿命预测。放电特性循环寿命预测电容器的循环寿命是指电容器在特定循环条件下能够充放电的次数,通常以循环次数表示5。(1)循环寿命预测：循环充放电测试可以用于预测电容器的循环寿命。N=CII式中：N是电容器的循环寿命,C是电容器的总容量,I是电容器每个循环周期的放电电流。式(1)应用在恒功率充放电条件下锂离子电容器循环性能测试的不同环节中，包括电容器参数测量、容量计算、以及循环寿命预测。(2)电容器参数测量：在恒功率充放电条件下测试电容器时，需要测量电容器的放电特性，包括开路电压和内阻。开路电压公式为：OCV=V+IxR内阻公式为：R=(OCV-V)1式中：V是电容器的实际电压,I是电容器的实际电流,R是电容器的内阻,OCV是电容器的开路电压。(3)容量计算：在恒功率充放电条件下测试电容器时，可以通过电流积分计算电容器的容量。Q=Idt/3 600式中：Q是电容器的容量，d是电容器的厚度，I是电容器的电流，t是时间,36 0 0 是秒转换为小时的系数。1.5测试流程测试流程包括以下5个步骤，(1)连接测试仪器。将待测试的锂离子电容器连接到循环充放电测试仪上，确保电极连接正确，并根据测试要求设置测试参数。(2)充电。设置测试仪器为充电模式,并设置所需的充电电流和充电时间参数，然后开始充电。充电完成后，测试仪器会自动切换到放电模式。(3)放电。设置测试仪器为放电模式，并设置所需的放电电流和放电时间参数，开始放电。放电完成后，测试仪器会自动切换回充电模式。(4)循环测试。重复进行步骤(1)和步骤(3）,直到达到设定的测试循环次数。在每个循环结束后，测试仪器会记录和显示测试结果，包括电容器电压、电流、容量等参数。(5)结果分析。将测试结果导出至电脑,并使用相应的数据分析软件进行结果分析和处理。通过分析测试结果，可以评估锂离子电容器的循环性能,并判断其是否符合测试要求。在测试过程中，需要记录电容器的电压、电流、时间、容量和内阻等参数，通过测量和计算这些参数，得到电容器的循环寿命、容量衰减和内阻增加情况等。2试验过程2.1准备工作试验前，应准备好测试设备和所需材料，包括测试电(1)容器、恒功率充放电测试系统、计算机等，控制和调节测试环境，保障环境条件满足实验要求，然后检查和校准参与测试的各项设备，确保测试设备的准确性和稳定性，以保障试验结果的数据具备相对可靠的参考性。2.2测试前的设置测试前的设置包括：(1)将电容器放置在测试设备上并连接电源线；(2)将恒功率充放电测试系统连接到电容器；(3)在计算机上安装并打开测试软件，设置测试条件，包括充电电流、放电电流和测试温度等。2.3测试过程(2)测试过程包括以下4点。(1)充电测试。将电容器充满电，设置充电电流为1C，(3)充电至电压达到设定值后，维持该电压10 min，使电容器充电至平衡状态。记录电容器电压、内阻数据，并将测试数据上传至计算机。(2)放电测试。将电容器放电，设置放电电流为1C,直到电容器电压降到设定值，记录电容器电压、电流、容量等数据，并将测试数据上传至计算机。(4)(3)充放电循环测试。将电容器进行充放电循环测试，设置充电电流和放电电流为1C，根据测试要求设置充放电次数，在每次循环中，记录电容器电压、电流、容量等数据,并将测试数据上传至计算机。(4)测试结束。完成所需的循环次数后,测试结束,停止测试设备，断开测试设备与电容器的连接，关闭测试软件。3试验结果及分析3.1循环次数对锂离子电容器循环性能的影响保持充电时间一定、温度不变、恒功率的条件，测试106|自动化应用电力设备自动化应用LIC循环次数的性能,测试结果如表1所示。减和寿命损失，而低温则会影响其性能的表现。因此,在测试中，需要控制环境温度以获得更准确的测试结果。本实表1循环次数对LIC循环性能影响的测试结果验进行了恒功率充放电条件下的温度测试，在测试中，将循环次数/次容量损失12.1%507.8%10013.4%15019.2%20023.8%由表1可知，随着循环次数的增加,电容器的容量逐渐减小，内阻逐渐增加，电容器的性能逐渐下降。这些数据可以用来预测电容器的寿命和优化电容器的设计和使用。3.2充电时间对锂离子电容器循环性能的影响充电时间是影响锂离子电容器循环性能的重要因素。一般而言，过长或过短的充电时间都会影响锂离子电容器的寿命和容量表现。因此,在测试中,需要控制充电时间以获得更准确的测试结果：(1)测试时间(10 0 0 个循环周期），(2)充电电流(10 A)，(3)放电电流(10 A)，（4)充电时间(1 h,2 h、3 h)。表2 充电时间对LIC循环性能的测试结果充电时间/h总循环次数/次容量保持率110002100031000由表2 可知,随着充电时间的延长,锂离子电容器的循环性能逐渐提高，容量保持率逐渐增加,因此,充电时间越长，电容器内部的化学反应越充分，提升了电容器的性能。(1)温度：高温环境下，锂离子电容器的寿命会明显缩短。一般而言,在2 5以下，电容器的寿命最长，当温度升高到6 0 时，电容器寿命会减少50%以上。因此，在进行循环性能测试时，应确保温度控制在合适的范围内，避免高温环境的影响。(2)充电时间：充电时间过长或过短都会对锂离子电容器的寿命产生负面影响。充电时间过长会导致电容器内部化学反应失衡，缩短电容器的寿命，充电时间过短则会导致电容器内部无法完全充满，减少容量和缩短寿命。因此，在进行循环性能测试时，需要控制好充电时间，避免充电时间过长或过短的情况。(3)充电/放电功率：过高的充电/放电功率会导致电容器内部温度升高，影响电容器的寿命。因此,在进行循环性能测试时，需要控制好充电/放电功率，避免过高的情况，3.3温度变化对锂离子电容器循环性能的影响温度是影响锂离子电容器循环寿命和容量衰减的重要因素。高温在一定程度上会加速锂离子电容器的容量衰内阻增加/m25.76.58.19.711.281.7%86.4%89.2%温度范围设定为5 45，每隔5进行一次测试。测试结果如表3所示。表3温度变化对LIC循环性能影响的测试结果温度/初始容量/mAh末期容量/mAh容量衰减率52801027615280202822528030280352804027845276由表3可知，温度对锂离子电容器的容量衰减率有较大的影响，温度越高，容量衰减率越高，这进一步验证了温度对锂离子电容器性能的影响。4结语锂离子电容器的现场应用数据相对较少,因此,研究恒功率充放电条件下不同影响因素对其循环性能的影响对有效评估其健康状态、推动实际应用至关重要。本文通过对锂离子电容器展开不同条件下恒功率充放电循环性能测试，探究了循环时间、充电时间、温度变化因素对其循环性能的影响。在恒功率充放电条件下,经多次对LIC循环性能的试验验证,得出以下结论：随着循环次数的增加，电容器的容量逐渐下降,内阻逐渐增加，电容器的性能逐渐下降；随着充电时间的增加,锂离子电容器的循环性能逐渐提高，容量保持率逐渐增加，电容器性能呈逐步提升的趋势；随着实验设置温度的逐渐升高，容量衰减率越高，电容器性能呈下降趋势。1郑俊生,吕心荣,郑剑平.锂离子电容器性能分析及其应用J.发电技术,2 0 2 2,43(5):7 7 5-7 8 3.2王健高，刘佳.循环寿命延长新型碳基锂离子电容器问世J.仪器仪表用户,2 0 2 1,2 8(7)：14-14.3王超，伍世嘉，谢杭璇，等.恒功率充放电条件下的锂离子电容器循环性能J.广东电力,2 0 2 1,34(6)：8 9-9 7.4张晓虎，孙现众，张熊，等.锂离子电容器在新能源领域应用展望J.电工电能新技术,2 0 2 0,39(11)：48-58.5郭义敏,郭德超,张散文，等.电极结构对锂离子电容器电性能的影响J.储能科学与技术,2 0 2 1,10(6):2 10 6-2 111.256248248248240232224216208参考文献8.57%10.14%11.43%12.06%14.29%17.14%20%22.30%24.64%（责任编辑：李慧）2023|16期/10 7