本文利用BIC-400A等溫量熱儀對鋰離子電容器充放電產熱特性進行了研究，測定和對比了不同充放電方法下電容器的產熱功率變化，并計算得到了放熱量（Q）和最大放熱功率（qmax）等參數。
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，近年來受到廣泛關注，其兼具鋰離子電池與超級電容器的特性，可以實現長達15min的持續充/放電，功率調節速率是傳統發電機組的1.4倍以上，可以滿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熱，降低其使用壽命甚至會產生安全隱患，因此有必要對其充放電產熱情況進行評估[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熱特性，并基于產熱功率曲線計算得到Q和qmax等數據。相關結果有助于驗證或改進針對LIC的熱管理策略，確保LIC的性能發揮和使用安全。
1. 樣品準備
實驗樣品：鋰離子電容器（正極：活性炭/NCM, 負極：石墨），電壓4.2V，標稱容量21000F。
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；Step1：打開等溫量熱儀蓋板，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生間隙；Step2：將測溫傳感器包埋至勻熱塊內中心位置點，并將電源線及電壓線分別連接至電池正負極；Step3：關閉儀器蓋板，設置實驗條件，點擊“開始"按鈕啟動實驗，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程
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
鋰離子電容器的產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。電極反應產生的可逆熱在充電過程中表現為吸熱，在放電過程中表現為放熱；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；極化過程受反應速率和擴散控制，極化熱通常也隨著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，充電產熱量小于相同工況下的放電產熱量，且Q與隨工作電流呈現線性上升趨勢，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，電容器同樣會表現出吸熱現象[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
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熱特性如圖5和圖6所示，電容器的qmax大致上隨著功率線性增加，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際使用工況，且電容器輸出功率可能遠超實驗設置的最高功率400W，熱效應將十分顯著，因此需要通過測試獲得準確的產熱數值后制定合適的熱管理方案。利用BIC-400A等溫量熱儀分析了鋰電池電容器的充放電產熱特性，相關結果能夠輔助這一類新型儲能器件的熱管理設計，同時幫助技術人員研究電化學儲能裝置在工作狀態下的熱動力學過程，開發性能更加優異的產品。
化工儀器網