Lithium-Ion-capacitorcharacterization-and-modeling(锂离子电容器的表征和建模)-外文翻译.doc

锂离子电容器的表征和建模
摘要：制定一个快速充电电路总线系统，元太科技一直在测试一些像超级电容器和具有高功率密度的电能部件。不过，由于其能量密度较差，超级电容器只能限制在其平均的两点之间。另一方面，电流决定了电池的循环寿命。为了克服这一问题，元太科技与FCLAB实验室和安培实验室合作，研究应用快速充电锂离子电容器。
我们要评估的是对于存储系统在重型电动装置方面是否满足总线能量和能源的需求。我们注意到，对于锂离子技术优势相比，传统超级电容在功率密度和额定电压方面有更好的优势的事实。在这项研究中，锂离子电容器的表征和建模的方法和用双层活性炭技术的超级电容是相同的。在这里，我们讨论下锂离子电容器的效率问题。
一、引言
锂离子电容器是一种新型的存储装置，在相同的市场下相比，它结合了高功率密度和高能量密度。它是具有比传统超级电容高四倍的能量密度的电容器。该锂离子电容器的就够是由两个电极构成。在正极是由活性炭作为双电层电容，负极使用的是锂离子参杂着碳。这项新的电极技术提高了负极的负载能力，并且增加了两极之间的电势差。这是基于锂离子的电解质。
图1显示了双层电容器的基本结构和锂离子电容器的基本结构。可以看出，负极是锂离子参杂碳的电解质的形式。等效电容是正极电容密度串联上负极锂离子的密度。等效电容表达式可表示如下：
（1）
当Cli >> Cdl ⇒
Ceq ≈ Cdl （2）

图1：基本结构的双电层电容器和锂离子电容器
锂离子电容器的研究是由JM能源猜想出来的。它的参数为：额定容量：2000F；体积：124ml；重量：208g；最大工作电压：3.8V和最小工作电压：2.1V。

图2：锂离子电容器
二、锂离子电容器的特征
A、直流特性
锂离子电容器的充电和放电受几个恒定的电流值限制。图3表示锂离子电容器时间函数的电压变化图。它的充电和放电电流固定在100A的环境温度下；该设备在其额定电压3.8V和2.2V之间变化。结果表明，充放电电压曲线图可以用线性曲线拟合。等效串联电阻和电容的直流测量方法是基于锂离子电容器的恒流放电。在第一次逼近过程中，锂离子电容器的特点可以由一个等效串联电阻和电容来等效。其漏电流和锂离子电容器感应的效果可以忽略不计。这个用于确定等效串联电阻和电容的方法将在图4和图5中呈现。

图3：锂离子电容器充电和放电过程的电压变化，电流为100A
等效电容值是有锂离子电容器的充电和放电在恒定电流和额定电压3.8V和2.2V之间计算的（图4）。等效电容值的计算表达式如下所示：
(3)

符号I是放电电流，△t = t1和 △V=V2—V1。其中V1=Vmin+40%*（Vmax—Vmin）和V2=Vmin+80%*（Vmax—Vmin）。

图4：锂离子电容器恒流放电
在公式3中，I为电流，△t是充电或放电时间，△V是锂离子电容器的电压变化值。用这个表达式我们已经确定了充放电在50A、100A、150A及200A条件下的等效电容。
表一 锂离子充电电容值和放电电容值
Current
(A)
Ceach
(F)
Ceqdis
(F)
Ceqdis/Ceqch
50
2118
2100
99%
100
2083
2004
96%
150
2024
1955
96%

这些结果表明，锂离子电容器充放电效率与电池相比非常高。
对于直流等效串联电阻的测量是基于恒流电流的放电。（参见图5电压放电）充电开始时间和放电开始时间固定设置为30分钟，这个持续时间可以减少，因为与双层电容器相比，锂离子电容器具有自放电的功能。等效串联电阻的计算方法如以下表达式：
(4)

△U3是从下拉电压从直线部分和放电起始时间相应的延长线的交点得到，I是锂离子电容器恒流放电电流。

图5：锂离子电容恒定电流充放电
表二：等效串联电阻在2000F下的锂离子电容器
Current(A)
ESR(m)
50
1.84
100
1.70
150
1.78

等效串联电阻的变化与当前的这三个值可以忽略不计。
B、交流特性
锂离子电容器交流特性，是使用电化学阻抗谱得到的。对于研究设备的特点，扫频电压须设置好各种电压级别。这项研究是电化学阻抗谱系统所允许的频率对锂离子电容器的影响。图6给出了负极虚部的变化，以及作为实部不同电压值的功能。可以看出，锂离子电容器的等效电容C不是线性电压。

图6：锂离子电容器的虚部为实部函数，在2.2V、2.6V、3V、3.4V和3.8V的条件下
它假定为一个与电容串联电阻近似的锂离子电容器。使用电化学阻抗谱的结果，我们推测其为该电容变化的直流电压的函数。图7所表明的实验结果可以看出，锂离子电容器的等效电容在V<3V的时候随着电压的增加而减少，V>3V的时候随着电压的增加而增加。

图7：锂离子电容器的电压电容变化
等效串联电阻的独立性如图8所示。作为典型的双电层电容器，随着电压的增加会导致等效串联电阻的降低。这意味着，在高电压的情况下，我们可以得到跟好的放电功率。

图8：等效串联电阻。在不同的电压频率下的情况
图9现实了相对于这个数字从不同的电压频率的电容变化，很显然，锂离子电容器的等效电容C不与电压呈线性关系。

图9：电容对应的不同电压频率
三、锂离子电容的建模
对于建模的锂电解质成分，我们选择了“multipenetrability”[2]提出的模型，如图10。它是由四种元素构成，由以下的方程来描述电感L、串联电阻、复杂的平行孔和阻抗。在该模型中只考虑Zp1和Zp2。该模型参数的计算采用的是电化学阻抗谱的实验结果。模拟结果与实际测量的结果之间的比较Nyquit曲线，如图11所示。
(5)

图10：multipenetrability模型

图11：模拟结果与实际测量阻抗结果之间的比较Nyquit图
四、结论
本文我们描述了锂离子电容器的特性及其建模方法。这种新的储能装置提出了一种相比于传统的超级电容器具有高能量密度和高功率密度的电源。它可应用于能源和电力场合，特别是电动的重型运输工具。
我们已提出了锂离子电容器的电气参数及其模型。它呈现了相对较高密度的电阻电容特性，这是电解液的性质决定的。这种电阻限制了该组件大电流的效率。(>200A)电容器在高于3V和低于3V的情况下显示了两种特性，它可能是锂参杂的效应的结果。
研究超级电容器的电气模型和特性的方法在锂离子电容器的研究中同样适用。在今后的论文中，我们将试着研究热行为和锂离子电容器的老化过程。
参考文献：
[1] Chisato Marumo ‘Design and performance of laminated lithium-ion capacitors’ JM Energy Corporation Japan, Advanced Capacitor World Summit 2008, July 2008, San Diego USA.
[2] A. Hammar, ‘Modélisation du supercondensateur et étude de son vieillissement : Utilisation dans les applications de transport ferroviaire’ Thesis, UCBL juillet 2006.
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