esscap2008-–-lithium-ion-capacitorcharacterization-and-modeling鋰離子電容器的表征和建模外文翻譯

鋰離子電容器的表征和建模摘要：制定一個快速充電電路總線系統(tǒng)，元太科技一直在測試一些像超級電容器和具有高功率密度的電能部件。不過，由于其能量密度較差，超級電容器只能限制在其平均的兩點之間。另一方面，電流決定了電池的循環(huán)壽命。為了克服這一問題，元太科技與FCLAB實驗室和安培實驗室合作，研究應用快速充電鋰離子電容器。我們要評估的是對于存儲系統(tǒng)在重型電動裝置方面是否滿足總線能量和能源的需求。我們注意到，對于鋰離子技術(shù)優(yōu)勢相比，傳統(tǒng)超級電容在功率密度和額定電壓方面有更好的優(yōu)勢的事實。在這項研究中，鋰離子電容器的表征和建模的方法和用雙層活性炭技術(shù)的超級電容是相同的。在這里，我們討論下鋰離子電容器的效率問題。一、引言鋰離子電容器是一種新型的存儲裝置，在相同的市場下相比，它結(jié)合了高功率密度和高能量密度。它是具有比傳統(tǒng)超級電容高四倍的能量密度的電容器。該鋰離子電容器的就夠是由兩個電極構(gòu)成。在正極是由活性炭作為雙電層電容，負極使用的是鋰離子參雜著碳。這項新的電極技術(shù)提高了負極的負載能力，并且增加了兩極之間的電勢差。這是基于鋰離子的電解質(zhì)。 圖1顯示了雙層電容器的基本結(jié)構(gòu)和鋰離子電容器的基本結(jié)構(gòu)。可以看出，負極是鋰離子參雜碳的電解質(zhì)的形式。等效電容是正極電容密度串聯(lián)上負極鋰離子的密度。等效電容表達式可表示如下： （1）當Cli>>Cdl?Ceq≈Cdl （2）圖1：基本結(jié)構(gòu)的雙電層電容器和鋰離子電容器 鋰離子電容器的研究是由JM能源猜想出來的。它的參數(shù)為：額定容量：2000F；體積：124ml；重量：208g；最大工作電壓：3.8V和最小工作電壓：2.1V。圖2：鋰離子電容器二、鋰離子電容器的特征A、直流特性 鋰離子電容器的充電和放電受幾個恒定的電流值限制。圖3表示鋰離子電容器時間函數(shù)的電壓變化圖。它的充電和放電電流固定在100A的環(huán)境溫度下；該設備在其額定電壓3.8V和2.2V之間變化。結(jié)果表明，充放電電壓曲線圖可以用線性曲線擬合。等效串聯(lián)電阻和電容的直流測量方法是基于鋰離子電容器的恒流放電。在第一次逼近過程中，鋰離子電容器的特點可以由一個等效串聯(lián)電阻和電容來等效。其漏電流和鋰離子電容器感應的效果可以忽略不計。這個用于確定等效串聯(lián)電阻和電容的方法將在圖4和圖5中呈現(xiàn)。圖3：鋰離子電容器充電和放電過程的電壓變化，電流為100A 等效電容值是有鋰離子電容器的充電和放電在恒定電流和額定電壓3.8V和2.2V之間計算的（圖4）。等效電容值的計算表達式如下所示： (3)符號I是放電電流，△t=t1和△V=V2—V1。其中V1=Vmin+40%*（Vmax—Vmin）和V2=Vmin+80%*（Vmax—Vmin）。圖4：鋰離子電容器恒流放電 在公式3中，I為電流，△t是充電或放電時間，△V是鋰離子電容器的電壓變化值。用這個表達式我們已經(jīng)確定了充放電在50A、100A、150A及200A條件下的等效電容。表一鋰離子充電電容值和放電電容值Current(A)Ceach(F)Ceqdis(F)Ceqdis/Ceqch502118210099%1002083200496%1502024195596% 這些結(jié)果表明，鋰離子電容器充放電效率與電池相比非常高。 對于直流等效串聯(lián)電阻的測量是基于恒流電流的放電。（參見圖5電壓放電）充電開始時間和放電開始時間固定設置為30分鐘，這個持續(xù)時間可以減少，因為與雙層電容器相比，鋰離子電容器具有自放電的功能。等效串聯(lián)電阻的計算方法如以下表達式： (4) △U3是從下拉電壓從直線部分和放電起始時間相應的延長線的交點得到，I是鋰離子電容器恒流放電電流。圖5：鋰離子電容恒定電流充放電表二：等效串聯(lián)電阻在2000F下的鋰離子電容器Current(A)ESR(m)501.841001.701501.78 等效串聯(lián)電阻的變化與當前的這三個值可以忽略不計。B、交流特性 鋰離子電容器交流特性，是使用電化學阻抗譜得到的。對于研究設備的特點，掃頻電壓須設置好各種電壓級別。這項研究是電化學阻抗譜系統(tǒng)所允許的頻率對鋰離子電容器的影響。圖6給出了負極虛部的變化，以及作為實部不同電壓值的功能。可以看出，鋰離子電容器的等效電容C不是線性電壓。圖6：鋰離子電容器的虛部為實部函數(shù)，在2.2V、2.6V、3V、3.4V和3.8V的條件下 它假定為一個與電容串聯(lián)電阻近似的鋰離子電容器。使用電化學阻抗譜的結(jié)果，我們推測其為該電容變化的直流電壓的函數(shù)。圖7所表明的實驗結(jié)果可以看出，鋰離子電容器的等效電容在V<3V的時候隨著電壓的增加而減少，V>3V的時候隨著電壓的增加而增加。圖7：鋰離子電容器的電壓電容變化 等效串聯(lián)電阻的獨立性如圖8所示。作為典型的雙電層電容器，隨著電壓的增加會導致等效串聯(lián)電阻的降低。這意味著，在高電壓的情況下，我們可以得到跟好的放電功率。圖8：等效串聯(lián)電阻。在不同的電壓頻率下的情況 圖9現(xiàn)實了相對于這個數(shù)字從不同的電壓頻率的電容變化，很顯然，鋰離子電容器的等效電容C不與電壓呈線性關(guān)系。圖9：電容對應的不同電壓頻率三、鋰離子電容的建模 對于建模的鋰電解質(zhì)成分，我們選擇了“multipenetrability”[2]提出的模型，如圖10。它是由四種元素構(gòu)成，由以下的方程來描述電感L、串聯(lián)電阻、復雜的平行孔和阻抗。在該模型中只考慮Zp1和Zp2。該模型參數(shù)的計算采用的是電化學阻抗譜的實驗結(jié)果。模擬結(jié)果與實際測量的結(jié)果之間的比較Nyquit曲線，如圖11所示。 (5)圖10：multipenetrability模型圖11：模擬結(jié)果與實際測量阻抗結(jié)果之間的比較Nyquit圖四、結(jié)論 本文我們描述了鋰離子電容器的特性及其建模方法。這種新的儲能裝置提出了一種相比于傳統(tǒng)的超級電容器具有高能量密度和高功率密度的電源。它可應用于能源和電力場合，特別是電動的重型運輸工具。 我們已提出了鋰離子電容器的電氣參數(shù)及其模型。它呈現(xiàn)了相對較高密度的電阻電容特性，這是電解液的性質(zhì)決定的。這種電阻限制了該組件大電流的效率。(>200A)電容器在高于3V和低于3V的情況下顯示了兩種特性，它可能是鋰參雜的效應的結(jié)果。 研究超級電容器的電氣模型和特性的方法在鋰離子電容器的研究中同樣適用。在今后的論文中，我們將試著研究熱行為和鋰離子電容器的老化過程。

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