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    2022年, 第11卷, 第11期 刊出日期:2022-11-05 上一期   
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    2022 (11):  0. 
    摘要 ( 28 )   PDF(1845KB) ( 74 )  
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    锂电池百篇论文点评(2022.08.012022.09.30
    季洪祥, 武怿达, 金周, 田孟羽, 郝峻丰, 詹元杰, 闫勇, 岑官骏, 乔荣涵, 申晓宇, 朱璟, 贲留斌, 俞海龙, 刘燕燕, 黄学杰
    2022 (11):  3423-3438.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0602
    摘要 ( 63 )   HTML ( 46 )   PDF(890KB) ( 686 )  

    该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2022年8月1日至2022年9月30日上线的锂电池研究论文,共有4656篇,选择其中100篇加以评论。正极材料的研究主要集中在对高镍三元、高电压钴酸锂和镍锰酸锂的表面改性和体相掺杂,以及其在长循环过程中或高电压下所发生的表面和体相的结构演变。硅基复合负极材料的研究包括材料制备和对电极结构的优化以缓冲体积变化,并重点关注了功能性黏结剂的应用。金属锂负极的研究包含金属锂的表面修饰和三维结构设计。固态电解质的研究主要包括对硫化物固态电解质、氧化物固态电解质、聚合物固态电解质以及复合固态电解质的结构设计以及相关性能研究。其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配的研究,以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多关注正极中离子、电子传输能力的提升。锂硫电池的研究重点是提高硫正极的活性,抑制“穿梭”效应。电池技术方面的研究还包括电极结构设计和人造SEI层的构建。测试技术涵盖了锂沉积、硅负极演化和三元正极产气等方面。理论模拟工作侧重于固态电池中固体电解质及其与电极界面的稳定性研究。

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    储能材料与器件
    全钒液流电池提高电解液浓度的研究与应用现状
    朱兆武, 张旭堃, 苏慧, 张健, 王丽娜
    2022 (11):  3439-3446.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0329
    摘要 ( 71 )   HTML ( 20 )   PDF(675KB) ( 131 )  

    全钒液流电池电解液为单一钒元素各价态离子的电解质溶液,避免了不同元素离子通过膜渗透产生的交叉污染,电池循环次数高,使用寿命长。全钒液流电池非常适合电站削峰填谷、新能源发电储能和偏远地区供电等。但受钒离子溶解度的限制,全钒液流电池电解液浓度相对较低,导致电池能量密度较低、电解液储罐体积大,钒电池更适用于静态储能系统,而较难应用于电动汽车、电子产品等领域,而电解液成本高也限制了其大规模商业化应用。本工作基于各价态钒离子在不同酸度和温度条件下在传统H2SO4溶液中的溶解性能,总结了通过引入添加剂、改变支撑电解质和构建混合相电解液以提高钒电解液浓度和稳定性的方法及研究现状,介绍了不同种类添加剂在高温下稳定V(V)的作用机理,不同酸作为支撑电解质对V的溶解性及电解液电化学性能的影响,以及混合相电解液对于稳定电解液的内在机制。重点分析了最近研究报道的新型高浓度钒电解液,展望了大幅提高钒电解液浓度的可行性及研发方向。综合分析表明,改变传统H2SO4支撑电解质,如HCl/H2SO4等体系的开发,是大幅提高钒电解液浓度、增大电池能量密度比较有前景的研发方向。

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    基于锂掺杂分子筛改性隔膜的高性能锂硫电池
    王小飞, 蓝大为, 张道明, 薛浩亮, 周思飞, 刘闯, 李骏, 王振东
    2022 (11):  3447-3454.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0340
    摘要 ( 51 )   HTML ( 40 )   PDF(8762KB) ( 89 )  

    锂硫电池在下一代高能量密度可充电电池中极具吸引力,但多硫化物严重的穿梭效应阻碍了它的实际应用。本工作利用离子交换法成功地制备了一种锂掺杂分子筛(Li@CHA),并将其与氧化石墨烯(GO)结合用于修饰常规聚丙烯隔膜,以缓解锂硫电池的穿梭效应问题。借助扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、氮气吸-脱附法以及电化学测试,深入研究了Li@CHA的形貌、结构及用于锂硫电池的电化学性能。研究显示,Li@CHA可在隔膜表面充当“离子筛”,有效抑制多硫化物阴离子的自由穿梭,并提高锂离子的传输性能。此外,GO也可以通过化学吸附进一步抑制穿梭效应,并改善修饰层的导电性,降低电池阻抗。因此,采用这种改性隔膜的锂硫电池表现出增强的反应动力学、出色的倍率性能和稳定的循环性能,在3 C下获得了638 mAh/g的高倍率容量,在0.5 C下循环500圈后仍具有71.0%的高容量保持率。本工作为抑制多硫化物的穿梭效应提供了一条新的思路,有望进一步推动锂硫电池的实际应用。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    高容量铬氧化物Cr8O21 锂一次电池正极材料的制备与性能
    滕久康, 吴宁宁, 王畅, 王庆杰, 石斌
    2022 (11):  3455-3462.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0245
    摘要 ( 54 )   HTML ( 11 )   PDF(8815KB) ( 35 )  

    本工作以CrO3前体为原料,采用高温固相法制备高性能的Cr8O21材料,探究了热解温度对Cr8O21性能的影响,并详细分析Cr8O21的首次放电机理。借助X射线衍射技术(XRD)、扫描电子显微技术(SEM)、X射线光电子能谱分析技术(XPS)和电化学技术等表征测试手段,对比分析了不同热解温度下制得的样品结晶度、形貌和电化学性能,并阐明了放电机理。结果表明,热解温度270 ℃下制备的Cr8O21样品结晶度最高、放电性能优异。在0.05 mA/cm2下放电比容量达到419 mAh/g,平均电压2.99 V;在1.0 mA/cm2下放电比容量达到315 mAh/g,平均电压2.82 V;容量保持率75.11%,电化学性能高于其他温度下制得的Cr8O21样品。热解温度低于270 ℃,CrO3前体反应不充分;热解温度高于270 ℃,会生成杂相。XPS结果显示,Cr8O21中Cr元素只含+3价和+6价,不存在其他价态。Cr8O21首次放电机理为:从3.5 V放电至3.0 V,为锂离子嵌入Cr8O21内部的过程;从3.0 V放电至结束,为锂离子与Cr8O21反应生成LiCrO2和高度不可逆的Li2O的过程。本研究有助于推动高容量的Cr8O21材料在锂一次电池领域的应用,为高比能一次电池技术的研发提供实验依据。

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    PEOLi+-g-C3N4 复合固态电解质的制备及其电化学性能
    张林森, 王士奇, 王利霞, 宋延华
    2022 (11):  3463-3469.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0345
    摘要 ( 64 )   HTML ( 12 )   PDF(1980KB) ( 127 )  

    利用g-C3N4表面丰富的官能团进行锂化,得到锂化氮化碳(L-g-C3N4)材料,并以双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)为锂盐,聚环氧乙烯(PEO)为聚合物基体,采用流延-热压法制备Li+-g-C3N4复合固态电解质。借助透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)、线性循环伏安(LSV)、直流极化曲线、交流阻抗谱以及充放电测试等手段对复合固态电解质进行表征和测试。对比分析相同质量分数g-C3N4复合固态电解质与L-g-C3N4复合固态电解质的电化学性能,同时对不同L-g-C3N4含量的复合固态电解质的电化学性能进行研究。结果表明,添加质量分数为10% L-g-C3N4的复合固态电解质在60 ℃时的离子电导率为3.95×10-4 S/cm,锂离子迁移数为0.639,电化学窗口为4.5 V以上。以复合固态电解质组装Li/LiFePO4全固态电池,在60 ℃以0.5 C充放电,电池的首次放电比容量为163.76 mAh/g,循环80次后容量仍有160.10 mAh/g,容量保持率为97.8 %。

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    FeSe2-C三维导电复合材料的制备及其电化学性能
    钮准, 张学燕, 冯佳伟, 金立国, 施永辉, 余佳艺, 李子超, 冯志军
    2022 (11):  3470-3477.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0357
    摘要 ( 35 )   HTML ( 15 )   PDF(6223KB) ( 123 )  

    过渡金属硒化物因为具有更窄的带隙和线宽、更高的导电性、更大的层间距、更低的成本以及更高的理论容量等优势,在电极材料领域受到了广泛关注。本研究为着重解决FeSe2电极材料可逆容量低和循环稳定性差等问题,设计了在FeSe2阳极中掺杂膨胀石墨,形成由互相穿插、堆叠的膨胀石墨片组成的三维导电网络结构,以膨胀石墨为碳源,采用简单有效的溶剂热法制备出FeSe2-C负极材料。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N2吸附法等表征手段,对样品的晶体结构组成、微观结构形貌进行了解析。同时,采用了恒流充放电(GCPL)、循环伏安(CV)以及交流阻抗(EIS)等电化学测试方法,研究了膨胀石墨的掺杂对FeSe2电化学性能的影响。结果表明,FeSe2-C电极呈现出层级结构且储锂能力良好,具有优异的电化学性能和循环稳定性。在0.1 A/g的电流密度下首次放电比容量高达720.5 mAh/g,充电比容量512.3 mAh/g、首次库仑效率71.1%。在5 A/g的电流密度下经过1000次循环后容量仍有339.1 mAh/g,是纯FeSe2电极材料经历相同次数循环后的8.5倍。利用膨胀石墨构筑三维导电网络的技术方法,可以有效改善FeSe2的电化学性能。

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    多晶及单晶NMC811材料力学性能分析
    王婷, 杨超, 苏红磊, 马维, 井源, 王海龙
    2022 (11):  3478-3486.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0222
    摘要 ( 94 )   HTML ( 37 )   PDF(7544KB) ( 138 )  

    力学失效是三元氧化物正极材料在高容量应用时面临的主要问题之一,本工作采用熔盐法和共沉淀法分别制备了单晶和多晶NMC811,通过XRD、FIB-SEM和应力分析等方法对比研究了单晶和多晶NMC811材料在电化学过程中的力学性能及其演化,建立了单晶及多晶NMC811在充放电过程中的裂纹萌生及扩展与应力应变之间的关系,揭示了脱嵌锂过程中该材料的结构稳定性退化原因。结果表明,单晶NMC811材料在0.5 C下充放电100次后,基本上没有裂纹产生,且材料的残余应力较小。而多晶NMC811材料在0.5 C下充放电100次后,沿晶界产生了大量裂纹且最大残余应力是单晶材料的3倍。分别将两种材料组装成电池,单晶NMC811的循环性能和倍率性能都优于多晶NMC811。制备、发展单晶NMC811材料将成为抑制充放电过程中裂纹扩展,改善高镍三元材料循环寿命的重要途径。

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    钠离子电池预钠化技术研究进展
    陈杰, 陈伟伦, 张旭, 周晏玮, 张五星
    2022 (11):  3487-3496.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0332
    摘要 ( 129 )   HTML ( 35 )   PDF(5460KB) ( 420 )  

    钠离子电池是下一代低成本和高性能规模储能电池技术之一,预钠化技术可有效补充其在循环过程中的不可逆钠损耗,因此在钠离子电池的实际应用中具有重要地位。本工作综述了目前已有的预钠化方法,包括物理预钠化、电化学预钠化、化学反应预钠化、正极添加剂以及富钠正极。考虑各种预钠化技术安全性、可操作性、高效性和整体成本等诸多因素,分析了各种预钠化技术的优势与不足,指出了目前预钠化技术存在的问题,最后展望了预钠化技术在未来钠离子电池中的商业前景和发展方向。物理预钠化操作简单方便,但安全性是其主要问题;电化学预钠化能获得稳定的SEI膜,但受限于繁琐的工艺步骤;化学反应预钠化也能形成均匀致密的SEI膜,但对气氛有一定的要求,且溶剂昂贵;正极添加剂操作简单方便,但对其产生的残留物和气体的研究甚少;富钠正极稳定性好,但受限于种类太少。未来的预钠化研究需要综合考虑成本、环保、安全和稳定性等因素,并对副反应和副产物的影响机理进行深入地研究。

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    钠离子电池硬碳负极材料研究进展
    刘飞, 赵培文, 赵经香, 孙贤伟, 李苗苗, 王敬豪, 尹延鑫, 戴作强, 郑莉莉
    2022 (11):  3497-3509.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0233
    摘要 ( 259 )   HTML ( 42 )   PDF(12260KB) ( 581 )  

    随着高性能电极材料的开发和储钠机理的研究,钠离子电池的电化学性能得到极大的提升。硬碳作为公认的最成熟和最具商业化潜质的负极材料,仍面临着首次库仑效率低、倍率性能较差等问题。同时,科研人员投入巨大精力深入研究硬碳储钠机理,探索提高性能和降低成本的合成方法。但对于储钠机理仍存在分歧,尤其对低压平台区的储钠机制有较大争议。本工作通过对近期文献的综合分析,基于硬碳材料的嵌入、吸附及纳米孔填充三种不同储钠过程,着重介绍了“嵌入-吸附”“吸附-嵌入”和其他多种形式的复合储钠机理。随后,在深入了解硬碳材料储钠机理的基础上,分析了比表面积、孔隙、缺陷、层间距和官能团等对硬碳负极材料倍率性能和首次库仑效率的影响。同时介绍了结构优化和涂覆涂层方法表面改性对改善硬碳负极材料倍率性能和首次库仑效率的影响。为了促进硬碳的实际应用,阐述了电解质优化对ICE膜性能改善及倍率性能的影响。综合分析表明,硬碳材料改性及电解液优化,有望同时实现高倍率性能、高首次库仑效率和循环稳定性。

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    质子交换膜电解水技术关键材料的研究进展与展望
    徐滨, 王锐, 苏伟, 何广利, 缪平
    2022 (11):  3510-3520.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0319
    摘要 ( 151 )   HTML ( 16 )   PDF(4897KB) ( 563 )  

    氢是碳中和能源系统的重要组成部分,为重工业和长途运输等难以脱碳的行业提供了一种可替代路径。可再生能源电解制氢是最可持续的制氢技术,为整合间歇性可再生能源提供了额外的灵活性,并可以作为季节性储能。质子交换膜(PEM)电解水技术具有电流密度高、运行压力高、电解槽体积小、整体性和灵活性好等优势,与波动性较大的风电和光伏有很好的适配性,但目前的主要挑战之一是其成本较高。本文对PEM电解水技术的成本组成及应用现状进行了总结,并详细分析了PEM电解槽中的关键材料、制备工艺及组件制造的研究进展。研究认为,通过新型的结构设计、制备策略和制造技术,可以提升贵金属催化剂的活性和利用率,减少膜厚度以降低欧姆极化,降低双极板的原料和加工成本,改善电解槽的结构设计和组装。最后提出了未来PEM电解水技术的研发方向和目标,通过材料性能的技术创新、组件制造工艺的优化、电解槽生产规模的扩大,能显著降低PEM电解水设备的成本,加速PEM制氢的规模化发展。

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    锂硫电池隔膜在不同抑制“穿梭效应”策略中的研究进展
    马康, 高志浩, 骆林, 宋鑫, 戴作强, 何田, 张健敏
    2022 (11):  3521-3533.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0243
    摘要 ( 88 )   HTML ( 9 )   PDF(6368KB) ( 354 )  

    锂硫电池因为具有极高的能量密度和理论比容量,而且作为正极主要材料的单质硫储量丰富、生产成本较低,被认为是未来储能领域中最具应用前景的一类电池。但是在其实际应用之前还有一些技术难题亟待解决,比如活性材料硫的导电性差、正极体积膨胀、穿梭效应等问题严重影响了电池的循环稳定性,尤其是可溶解的长链多硫化物中间体在正极与负极之间来回迁移引起的“穿梭效应”。隔膜作为锂硫电池的关键内层组件,处在正极和负极之间,是抑制多硫化物穿梭的重要屏障,然而目前市场上商用的聚烯烃类隔膜存在较大的孔径,多硫化物容易从中穿过,而且这类隔膜也不具备捕捉多硫化物的能力,因此需要设计具有抑制多硫化物穿梭的功能性隔膜来提升锂硫电池的综合性能。本工作根据多硫化物与隔膜涂层之间的相互作用,将抑制多硫化物穿梭的方法进一步分为物理限制和化学限制,主要介绍了聚丙烯基以及新型纤维素基两类隔膜的研究进展,最后对具有抑制多硫化物穿梭功能的锂硫电池隔膜未来的发展方向进行了展望。

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    相变蓄热复合传热强化技术综述
    赵兰, 王国珍
    2022 (11):  3534-3547.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0300
    摘要 ( 50 )   HTML ( 12 )   PDF(12718KB) ( 31 )  

    相变材料(PCM)通过在相变过程中吸热或放热实现热能的存储与释放。相变材料在热能存储和热管理领域凭借其相变区间温度稳定、储能密度大受到了广泛认可。然而,相变材料普遍存在热导率低的问题,需要结合传热强化技术进行改善。在采用某一种强化技术的基础上,两种或多种传热强化技术相组合的“复合强化技术”成为目前传热强化与相变蓄热性能改善的研究热点。本文通过对相关文献的分析,综述了目前复合传热强化技术的研究进展,包括以翅片为基础,分别结合热管、纳米颗粒、多孔材料和梯级蓄热,以及多孔材料结合热管、纳米材料和梯级蓄热等多种复合方式。分析表明:通过将热管与翅片或多孔材料混合使用,可以达到传热强化最佳效果;纳米颗粒与翅片或多孔材料的混合使用比同等条件下单独使用纳米颗粒更有效;采用梯级蓄热与翅片或多孔材料相结合相较于单独采用梯级蓄热具有更快的蓄/放热速率和更加均匀的换热流体出口温度。建议对其他可能的复合传热增强技术进行深入研究,并通过实验验证、优化蓄热系统的结构设计和具体参数探讨对蓄热性能的影响。

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    储能系统与工程
    肋片增强式梯级相变储热系统放热特性的三维数值
    沈永亮, 张朋威, 刘淑丽
    2022 (11):  3558-3565.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0248
    摘要 ( 58 )   HTML ( 12 )   PDF(5272KB) ( 81 )  

    梯级相变储热技术已被证明是解决相变材料导热性能差的重要方法。已有的关于梯级相变储热系统的数值研究通常是基于一维或二维数学模型完成的,大部分的研究聚焦于系统的储热过程。本工作设计了一种肋片增强型三管式梯级相变储能系统,并建立了三维数值模型。然后研究了系统放热过程中各级PCM的性能变化规律,探究了传热流体进口温度和PCM初始温度对系统放热速率的影响规律。结果表明,在放热过程中,各级PCM相变不会同时发生,受到储热材料的相变温度和潜热的影响最大。传热流体进口流速的增大会提高相变材料的放热速率,但随着流速的进一步增加,放热速率的提高程度明显减弱。相变材料的初始温度对显热放热过程具有一定的影响,但对于潜热放热阶段影响较小。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    液冷式锂离子电池组可靠性分析及优化设计
    刘岩, 肖纯, 伍炜, 王雯静, 万昱
    2022 (11):  3566-3573.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0274
    摘要 ( 23 )   HTML ( 12 )   PDF(4883KB) ( 76 )  

    锂离子电池已广泛应用于新能源汽车等领域,其可靠性的高低将会直接影响车况。锂离子电池组需要依靠高效的热管理系统来保障其安全可靠运行,其中液冷散热系统对于电池组整体温度的控制及温度均匀性的控制都有很好的效果。通过建立的液冷式锂离子电池组的有限元仿真模型,仿真对比蛇形和双倒U形两种冷却通道对电池组的散热效果。采用的双倒U形比蛇形冷却通道具有更好的效果,电池组的最高温度降低了17.2 ℃,温差降低了12.1 ℃。采用冷却效果更好的双倒U形冷却通道作为待优化结构,并通过调整冷却液入口温度、流量及加置石墨烯薄膜三种途径进一步降低电池组整体温度及提高温度均匀性。通过优化设计,电池组最高温度降低了32.2%,温差降低了59.2%,局部过热的问题得到了缓解,电池组的可靠性得到提高。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    锂离子电池电极微结构的分形建模及热-化耦合
    汪振毅, 张赛, 胡世旺
    2022 (11):  3574-3582.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0299
    摘要 ( 47 )   HTML ( 7 )   PDF(4728KB) ( 104 )  

    锂离子电池电极是决定电池性能优劣的关键因素,在多孔电极理论基础上引入分形理论,重构电极的微结构,考虑结构参数以及温度对有效扩散系数的影响,推导出锂离子在固、液相中有效扩散系数的理论模型,对其影响因素进行分析;建立热-化耦合模型,分析热模型与电化学模型之间的关系;模拟放电过程,探究不同固、液相有效扩散系数对放电性能的影响。结果表明,液相中锂离子的有效扩散系数随面积分形维数、孔隙度以及温度增大而增大,随迂曲分形维数增大而减小;固相有效扩散系数随面积分形维数增大而减小;在相对高倍率放电的情况下,改变负极颗粒粒径大小及分布,使得电极微观结构发生变化,从而使锂离子在固、液相中有效扩散系数发生变化,进一步影响了电池的最大放电容量。本工作为锂离子电池电极的制造提供了基础理论参考。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    高压级联式储能系统在火储联合调频中的应用及实践
    黄思林, 肖华宾, 黄常抒, 郭子琦, 吴俊烽, 谢杭璇
    2022 (11):  3583-3593.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0241
    摘要 ( 46 )   HTML ( 8 )   PDF(2635KB) ( 19 )  

    “双碳”目标下,新能源的大量接入给电网的稳定运行带来冲击。火储联合调频项目作为优质调频资源近年来获得了广泛的研究与应用。根据广东地区火储联合调频项目投产现状,本工作对目前主要运用于火储联合调频项目的低压并联和高压级联储能系统两种拓扑结构进行分析,结合调频辅助服务市场政策,通过对不同拓扑结构下的功率控制精度、能量转换效率及响应时间等项目开展并网试验研究,对比分析了两者的性能差异。结果表明采用高压级联拓扑结构的储能系统具有更优异的功率控制能力、更迅速的响应时间、更高的响应精度及更低的能量损耗,有助于提高火储联合调频项目的综合调频性能,提升在调频市场的竞争力。基于高压级联储能系统的优点,国能粤电台山发电有限公司根据自身机组容量及调频需求将其运用在机组灵活性改造中,设计了目前国内最大的火储联合调频项目,为后续火储联合调频中高压级联式储能系统控制策略的研究提供支持,也为其他火储联合调频项目的建设提供借鉴。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    考虑调峰调频需求的新能源电网储能优化配置
    李秀慧, 崔炎
    2022 (11):  3594-3602.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0331
    摘要 ( 14 )   HTML ( 29 )   PDF(3413KB) ( 78 )  

    风电、光伏等新能源大规模接入电网带来电力电量不平衡问题。对此,本工作提出考虑新能源电网调峰调频需求的储能优化配置方法。首先,建立典型日多时间尺度运行模拟模型用于量化储能参与系统调峰和频率响应的贡献,即兼顾碳足迹约束的日前调峰和兼顾联络线偏差控制的日内调频。然后,建立储能配置-运行双层优化模型,上层配置模型以系统年运行成本与储能等值年投资成本总和最小为目标决策储能容量,下层运行模型通过两阶段时序模拟刻画不同典型日下的多时间尺度运行。该双层优化问题通过差分进化算法+Gurobi求解器的混合算法求解。最后,算例表明考虑储能参与双重应用场景的配置结果更为合理,系统运行总成本更低、碳排放更少。

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    储能测试与评价
    基于Sage-Husa EKF算法的锂离子电池能量状态估计
    李晓涵, 孙磊, 马勇, 郭东亮, 肖鹏, 刘建军, 吴鹏, 张志行, 韩雪冰
    2022 (11):  3603-3612.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0277
    摘要 ( 46 )   HTML ( 6 )   PDF(3507KB) ( 79 )  

    为充分利用电池内存储的能量,防止过放电和过充电,需要精准地估计电池的能量状态(SOE),通常SOE定义为剩余能量与标准额定能量的比值。现有的SOE估计算法尚未充分考虑温度、工况等的影响,导致估计结果精确度较低,为准确估计电池的能量状态,本工作提出了基于Sage-Husa自适应扩展卡尔曼滤波(S-H EKF)算法的锂离子电池能量状态估计方法,并与传统的基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的SOE估计算法精度进行对比分析。首先,分析了温度对电池能量特性的影响,获取不同温度下电池的标准能量。之后,建立考虑参数值随温度和SOE值变化的二阶RC等效电路模型,结合混合脉冲功率特性实验,使用最小二乘法进行模型参数辨识,并对模型精度进行验证,验证结果表明模型能够较好地仿真电池的端电压,具有较高精度。最后,使用S-H EKF和EKF对动态工况和间歇大倍率充电工况进行SOE估计,对比结果表明:以绝对误差均值为对比标准,S-H EKF的估计精度相比EKF高20.72%,SOE估计的最大绝对误差小于3%,更加适用于锂离子电池的能量估计。

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    锂离子电池参数辨识及荷电状态的估算
    刘志聪, 张彦会
    2022 (11):  3613-3622.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0298
    摘要 ( 63 )   HTML ( 23 )   PDF(2077KB) ( 157 )  

    实现对锂电池的荷电状态(state of charge,SOC)的准确估算对电动汽车电池管理系统具有重要意义。采用了二阶RC等效电路模型对电池进行精确建模,并分别利用离线参数辨识和带遗忘因子的递推最小二乘法的在线参数辨识方法对等效电路中的参数进行辨识,在确保模型精度满足要求后,利用扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)算法来实现对电池SOC的准确估算。以美国联邦城市运行工况(federal urban driving schedule,FUDS)和城市道路循环工况(urban dynamometer driving schedule,UDDS)进行仿真实验,并将实验中标准SOC值与离线辨识和在线辨识的SOC估计值进行对比分析。实验结果表明,在FUDS工况和UDDS工况下利用EKF算法估算SOC的平均误差都在2.5%以下,且在线参数辨识模型比离线参数辨识模型的平均误差分别降低了0.7%和0.9%。证明了EKF算法能实现对电池SOC的准确估算,且在线参数辨识方法下的电池模型具有更高的估算精度。

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    基于SOM+SVM的退役锂离子电池分选
    王鲁, 王峰, 徐竞, 赵延鹏, 李玮, 王艳艳, 王应彪
    2022 (11):  3623-3630.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0336
    摘要 ( 46 )   HTML ( 9 )   PDF(2200KB) ( 117 )  

    针对退役动力电池分选方法匮乏的问题,提出一种基于SOM(自组织特征映射网络)+SVM(支持向量机)的退役锂离子电池分选方法。对退役电池进行电池测试,通过电池测试系统记录电池的电流、电压、温度和放电容量的变化,进行电池PNGV(新一代汽车合作伙伴)模型参数辨识,并依据电池容量、等压降时间等特征参数与模型参数对电池进行多参数聚类与分选归类。将分选归类结果中的退役电池单体进行并联重组,进行一致性实验,并对实验结果进行比较分析。实验结果表明:该方法下的退役电池参数在经过重组循环运算后,极化内阻、剩余容量、等压降时间、温度转换速率一致性变化程度较小,欧姆内阻离散度明显减小,在退役电池分选工作中具有实际意义。

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    一种基于少量温度传感器的超级电容模组温度监测方法
    韦莉, 黄雪林, 张婉婷, 白欣桐
    2022 (11):  3631-3640.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0234
    摘要 ( 17 )   HTML ( 5 )   PDF(4889KB) ( 208 )  

    超级电容器服役性能及老化过程与温度密切相关,温度过高会引起热失控从而影响超级电容运行安全,因此监测超级电容系统中每只单体温度尤为重要,而传统的传感器监测方案存在成本高、不易安装等问题。本工作以商用超级电容模组为研究对象,提出了一种基于少量单体温度预估模组内剩余单体温度的方法,可以减少传感器的使用。通过研究不同冷却风速下、多段恒流充放电时模组内各单体的温度数据,发现单体温度间具有强相关性。建立基于BP神经网络的模组温度预估模型,通过对比不同单体组合作为输入,并分别移除电流、电压、风速等因素后的预训练效果,确定了最佳的模型架构。通过对比不同算法在同一数据集上的预测效果,选定了Levenberg-Marquardt作为模型的训练算法。模型可实现通过3只单体温度预估剩余9只单体温度,测试数据集上的总体平均绝对误差为0.06 ℃,最大绝对误差在0.30 ℃以内,满足储能系统对温度监测精度的要求。该方法所需测试条件简单,同时能够降低温度传感器购置成本,为超级电容热管理系统的温度监测提供了一种新的方法。

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    硝基熔盐纳米流体在扭曲扁管内流动与换热特性
    张灿灿, 韩松涛, 吴玉庭, 鹿院卫, 牛俊楠
    2022 (11):  3641-3648.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0356
    摘要 ( 27 )   HTML ( 3 )   PDF(3711KB) ( 64 )  

    熔盐作为传热储热介质在太阳能光热发电系统中广泛应用,研究发现通过在熔盐中添加纳米粒子可以改善熔盐的热物性。本工作采用数值模拟方法,对熔盐纳米流体在不同结构扭曲扁管内的流动和换热特性进行了研究。研究结果表明,熔盐纳米流体在扭曲扁管内的对流换热系数和压降随着长短轴比的增加而增加,随着导程的增加而减小。在Re=10000~35000时,扭曲扁管内熔盐纳米流体的对流换热系数相比于圆管最高提升了34.6%,压降最大升高了141.3%,并拟合得到了扭曲扁管内熔盐纳米流体的努塞尔数Nu和阻力系数f的经验关联式。通过综合性能和场协同分析发现,在Re=30000时,长短轴比a/b=2,导程S=300 mm时,强化传热因子PEC最大为1.16,扭曲扁管长轴顶端的协同角最小。

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    基于相变储能介质热泵储电系统的模拟与分析
    圣力, 薛新杰, 孛衍君, 赵长颖
    2022 (11):  3649-3657.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0296
    摘要 ( 72 )   HTML ( 6 )   PDF(2163KB) ( 198 )  

    热泵储电技术具有成本较低、不受地理位置限制、储能密度较高的优点,是目前极具前景的一种新型大规模电能储存技术。传统的热泵储电系统大多以空气作为工作介质,以砂石作为储能介质,一般存在系统体积过大、储能密度较低、循环效率不高等缺点。为了提高这一技术的实用性,提出了一种以氩气为工作流体,利用相变材料作为储能介质替代原有的显热材料的热泵储电系统,建立了一个基于逆向布雷顿循环的10 MW/5 h的热泵储电系统的瞬态数值模型。模拟分析了压缩/膨胀比、孔隙率、等熵效率对系统往返效率、储能密度与功率密度的影响并对比了其与传统热泵的区别,同时评估了系统的经济性。结果表明:该储能系统储能密度可以达到182.5 kWh/m3,相对于显热材料提升了118.5%,往返效率可以达到63.1%,功率密度可以达到175.8 kW/m3。系统单位储能费用大约为768 CNY/kWh,相比于传统的热泵储电系统降低了约12%的初始投资成本。本研究对基于布雷顿循环的热泵储电系统的热力学分析以及经济性分析具有指导价值。

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    楔形管壳式蓄热罐的传热性能
    毛前军, 陈凯莉
    2022 (11):  3658-3666.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0270
    摘要 ( 42 )   HTML ( 1 )   PDF(4573KB) ( 24 )  

    针对常规矩形管壳式相变蓄热系统中相变材料热响应较慢的问题,实现蓄热系统高效储热结构优化具有重要意义。本工作采用数值模拟对基准管壳式相变储热单元和优化结构单元中相变材料带自然对流的熔化过程进行研究,并进行实验验证。根据不同的增强自然对流技术如楔形化、内流管偏心及倾斜罐体,讨论温度场、储热量、Fo数、平均Nu数及相界面的演化过程,分析不同增强自然对流方式内相变材料的动态热行为,得出改善储热系统传热效率的优化解。研究结果表明:楔形相变储热单元外壳形状可增强自然对流作用,提高储热单元的传热性能。当楔形比X=5时,与基准矩形结构中的相变材料熔化时间相比,其完全熔化时间缩短了28%;偏心距对竖直放置蓄热系统内相变材料的储热量影响不大,但是延长了完全熔化时间,对熔化效率起到反作用;楔形罐体倾斜75°时,在熔化前期自然对流换热效果达到最大值,蓄热效率也随之增长到最大,与垂直放置相比提升了29%。研究结果对节能减排以及双碳目标的实现具有一定的借鉴意义。

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    泡沫金属内嵌石蜡水平蓄器内凝固放热实验
    王凡, 杜昭, 阳康, 王欣怡, 胡汝坤, 杨肖虎
    2022 (11):  3667-3673.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0291
    摘要 ( 26 )   HTML ( 2 )   PDF(5755KB) ( 121 )  

    蓄能技术,尤其是蓄热技术,与太阳能光热利用系统集成耦合,可有力解决太阳能间隙性问题,提高太阳能热利用品质和利用效率,为光热利用系统提供稳定的能流输出。为解决工程常见的相变材料热导率低、蓄/放热系统效率不高的关键问题,选取石蜡为蓄热介质,设计了一种水平管内填充泡沫金属的蓄热单元,探究相同蓄热工况(70.0 ℃蓄热)、不同放热流体温度(10.0 ℃、15.0 ℃、20.0 ℃、25.0 ℃、30.0 ℃)下泡沫金属内嵌石蜡的凝固相变行为。通过高清相机拍摄得到凝固相界面的实时位置,通过热电偶测量获得凝固过程中内部温度响应规律。实验结果表明,冷流体温度越低,凝固速率越快;相比较30.0 ℃的放热工况,冷流体为10.0 ℃时石蜡完全凝固时间缩短了52.0%。同一径向距离测点的竖直高度越高,温降越快,其温度响应率也越大;但轴向位置对凝固测点温度变化影响差异不大。以1b测点的温度响应值为基准进行比较,10.0 ℃、15.0 ℃、20.0 ℃、25.0 ℃、30.0 ℃冷却工况下1a点温度响应率分别提高了7.2%、8.8%、10.3%、10.8%、11.7%。本研究有助于推广泡沫金属相变蓄热器的工程应用,为泡沫金属内嵌固液相变材料的结构设计与运行参数选取提供指导和帮助。

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    梯形蓄热罐形状对蓄热性能影响的数值研究
    张军, 赵凤霞, 杜昭, 阳康, 李元基, 杨肖虎
    2022 (11):  3674-3680.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0315
    摘要 ( 21 )   HTML ( 3 )   PDF(1492KB) ( 13 )  

    蓄热可应对太阳能光热利用中的间歇性问题,可提供平稳的热能输出,提高能源品质。固液相变蓄热因其蓄热密度大、蓄/放热过程温度恒定等优点备受关注。固液相变蓄热过程中存在相变材料熔化与温度不均匀的现象,难熔区域极大地延长了整体相变蓄热时间。本工作提出了一种通过改变蓄热罐形状来改善熔化不均匀现象的设计方法,设计了5种具有不同梯度比的梯形相变蓄热罐;通过数值模拟方法研究了5种梯形蓄热罐的蓄热性能,得出以下结论:增加上部区域相变材料的比例有利于将热量及时传递到固态区域,减小了热量传递的阻力,加快了整体传热速率。增加上部区域相变材料比例(即模型1和模型2)的完全熔化时间较基准模型3的完全熔化时间都有缩短,分别减少了39.06%和29.37%。研究结果为相变蓄热罐结构设计和工程应用提供一定参考。

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    偏心分形翅片管相变储热单元性能强化模拟
    刘立君, 宁雅倩, 李晓庆, 刘晓燕
    2022 (11):  3681-3687.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0320
    摘要 ( 47 )   HTML ( 10 )   PDF(2102KB) ( 18 )  

    为了探索偏心分形翅片管对相变储热单元性能强化的作用机理,对偏心分形翅片管相变储热单元中石蜡的熔化展开了二维非稳态模拟研究。在考虑自然对流的情况下对比研究了偏心矩形翅片和偏心分形翅片两种储热单元的传热特性。并对偏心分形翅片结构进行了局部强化,选择矩形翅片、Y型翅片和分型翅片3种方案。结果表明,偏心分形翅片结构对自然对流的促进高于偏心矩形翅片结构且整体温度分布更均匀,这与分型翅片可以促进热量由点到面的扩散相符。在3种局部强化方案中,偏心分形翅片强化效果最佳,且整个过程的熔化速率都有提高,使熔化时间缩短了70%。这对管壳式相变蓄热器的性能提升提供了很好的理论指导,进一步扩展了其在储能领域的应用前景。

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    锂电池电解液电导率模型研究进展
    周思飞, 李骏, 王小飞, 张道明, 薛浩亮
    2022 (11):  3688-3698.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0344
    摘要 ( 75 )   HTML ( 13 )   PDF(3059KB) ( 79 )  

    本文从经典溶液模型、统计热力学模型、半经验模型和数理统计方法四个方面阐述了近年来国内外锂电池电解液溶液电导率模型的研究进展。锂电池电解液溶液的离子传输机理研究已逐渐从经典的溶液理论转向统计热力学理论,从分子和离子的微观参数出发建立高水平的热力学理论模型,以更好地理解微观结构和微观粒子相互作用。锂电池电解液溶液电导率的预测以及优化则从传统的半经验模型转向数理统计方法,从而以较小的试验规模、较短的试验周期和较低的试验成本,获得理想的试验结果以及得出科学的结论。

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    储能技术经济性分析
    大规模地下储氢技术研究展望
    陆佳敏, 徐俊辉, 王卫东, 王浩, 徐孜俊, 陈留平
    2022 (11):  3699-3707.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0297
    摘要 ( 106 )   HTML ( 17 )   PDF(1057KB) ( 509 )  

    随着传统化石能源消耗和环境污染问题日益凸显,能源行业一直在寻找可再生能源来满足绿色消费需求。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,正逐步成为能源转型的重要载体之一。为了落实能源需求变革,氢能的安全高效存储尤为重要。地下储氢技术由于其储氢规模大、综合成本低而受到了广泛关注。本工作分析了世界地下储氢项目概况和研究进展,结果表明盐穴储气密封性好、结构稳定、操作灵活的优点,是目前大规模地下储氢最有前景的选择。从氢气的特点出发,综合阐述了在工程实施中氢气的注采对井况和地下环境造成金属腐蚀、橡胶失效、水泥降解、氢气泄漏等问题,为国内发展盐穴储氢技术研究提供借鉴。进一步结合中盐金坛盐穴综合利用的经验以及江苏地区的地域特点,探索盐穴储氢的技术路线的可能性。该路线通过将水电解制氢技术、盐穴储氢技术及天然气管道掺氢技术相结合,解决“制、储、运”的关键问题,为中国实现“双碳”目标提供思路。盐穴储氢具有能源电力消纳、电网削峰填谷、跨季节存储、平衡氢能供需以及低成本等优势,这对于可再生能源发电剩余电量的大规模存储、绿色清洁氢能源的使用与发展以及节能减排、发展低碳经济都具有十分重要的意义。

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    基于系统动力学的共享储能政策效应分析
    刘国静, 李琥, 李冰洁, 史静, 张兴
    2022 (11):  3708-3719.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0265
    摘要 ( 43 )   HTML ( 11 )   PDF(4266KB) ( 30 )  

    共享储能采用统一规划、建设和调度,具有初始投资低、运营风险小、设备质量有保障、利于多重价值的实现等优点,未来有望成为储能和新能源协同发展的主流模式,该模式的持续、健康发展离不开合理、有效政策的支持。本工作分析了我国共享储能发展现状,应用系统动力学方法搭建了光伏和共享储能发展的系统动力学模型;基于某省实际及规划数据,确定模型参数,模拟仿真了在不同配储比例、配储时长、租赁费用、年调度次数等政策情景下的光伏及储能装机规模变化。研究结果表明,共享储能政策的制定需综合考虑新能源规划目标、储能规划目标、系统灵活性需求等因素,积极拓展储能收益来源,使源网荷合理分摊储能成本,才能实现新能源和储能的高质量协同发展。

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    舒敏
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    2022 (11):  3722-3723. 
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