储能科学与技术

扫描电化学显微镜技术在锂离子电池分析中的研究进展

王玉娇1，王玮1，冯平源1，王康丽2，程时杰2，蒋凯1,2

2017 (1): 1-10. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0017

摘要 ( 777 )

PDF(11219KB) ( 992 )

扫描电化学显微镜（SECM）是一种基于超微电极电化学的原位分析技术, 它将一支可以进行三维方向移动的超微盘电极作为工作探针沉浸在电解质溶液中，在离基底约几微米的位置进行扫描，通过探针上的电流变化来反映基底的形貌和性质。SECM有多种工作模式且具有电化学响应速度快、时空分辨率高、对样品进行非接触测试等优点，在锂离子电池分析中有着重要应用。本文简要介绍SECM的工作原理以及主要工作模式，并阐述了SECM在锂离子电池正极材料和负极材料原位分析中的研究进展。其中SECM在正极材料的研究中主要应用于充放电的过程中Li+的嵌入和脱出过程动力学及机理的研究，在负极材料方面主要针对充放电过程中负极材料表面SEI膜的形成过程及性质进行研究。

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锂电池百篇论文点评（2016.10.1—2016.11.30）

张华，金周，赵俊年，武怿达，詹元杰，陈宇阳，陈彬，王昊，俞海龙，贲留斌，刘燕燕，黄学杰

2017 (1): 11-23. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0104

摘要 ( 792 )

PDF(13255KB) ( 1211 )

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2016年10月1日至2016年11月30日上线的锂电池研究论文，共有2132篇，选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层，电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理，理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外，还有多篇针对电池分析、电池管理系统技术的研究论文。

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纳米流体研究进展

王彩霞1，黄云1，姚华1，叶锋1，杨军1，丁玉龙2

2017 (1): 24-34. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0037

摘要 ( 826 )

PDF(11738KB) ( 581 )

纳米流体作为一种新型高效换热工质展现出良好的换热性能引起了许多研究者的关注。本文综述了纳米流体在热导率、对流换热系数、比热容、黏性以及稳定性五个方面的研究进展。重点介绍和讨论了纳米流体热导率提高的机制、影响纳米流体热物理特性的因素以及纳米流体研究各方面面临的挑战性问题，并对纳米流体的未来研究进行了展望，指出将复合纳米材料的制备与纳米流体性质结合有可能成为增强新型换热工质效能的有效途径之一。

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海水抽水蓄能技术发展现状及应用前景

谭雅倩1,2，周学志1，徐玉杰1，陈海生1，秦伟3

2017 (1): 25-42. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0014

摘要 ( 1423 )

PDF(11028KB) ( 872 )

抽水蓄能技术是目前广泛应用的大规模储能技术之一，传统抽水蓄能技术需要特殊的地理条件建造两个水库，投资成本高、破坏生态环境，并且对淡水资源依赖严重。海水抽水蓄能技术利用海洋作为上水库或下水库，水位变幅小，减少了水库建设及其投资成本，解决了传统抽水蓄能电站对淡水资源的利用问题以及环境破坏问题，对于临海和淡水资源缺乏的岛国和城市具有非常广阔的发展前景。本文介绍了海水抽水蓄能系统的工作原理，全面分析了海水抽水蓄能系统的研究进展和应用情况，总结了开发海水抽水蓄能系统存在的技术与应用问题，并对其应用前景与发展潜力进行了展望，提出海水抽水蓄能系统与可再生能源的耦合将是其近期主要的发展方向。

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锂离子动力电池安全性问题影响因素

谢潇怡1，王莉2，何向明1,2，张明轩1，李建军1

2017 (1): 43-51. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0011

摘要 ( 732 )

PDF(9356KB) ( 1570 )

影响动力电池安全性能的因素贯穿了一个动力电池从电芯选材到使用终结的生命周期始终，因此原因复杂多样层次丰富。本文通过回顾从电芯材料本身、电芯的制造过程、电池集成中关于BMS（电池管理系统）和安全性方面的设计，到使用工况中影响锂离子电池安全性的因素，分析了电芯组成材料的晶体结构、电极电势、性状，电芯制造过程中自动化程度、SEI膜生长条件，电堆的集成设计以及电池在使用过程中面临的过度充放电、恶劣温度、意外工况等滥用方式对锂离子电池安全性能的影响。提出了锂离子电池在各个环节下消减影响安全性不利因素的方法，得出了需要重视电池集成和对电池发生热失控进行预案设计的结论。

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柔性电化学储能器件研究进展

刘冠伟1,2，张亦弛1,2，慈松1,2，余占清1,2，曾嵘1,2

2017 (1): 52-68. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0071

摘要 ( 1627 )

PDF(29014KB) ( 1208 )

柔性电化学储能器件技术是支持柔性电子设备，如可穿戴设备等发展的关键技术，也是电化学储能领域中重要的发展方向。本文从柔性电化学储能器件的电极材料（碳纳米管、石墨烯、碳纸/碳纤维、织物等）、电解质（液态、固态、有机-无机复合电解质）、制造工艺（打印/涂覆/喷涂、沉积、纺织）及具有不同附加功能特性的新型柔性电池等方面对柔性电化学储能器件关键组元和技术的发展情况进行了综述。总体而言，作为处于研究起步阶段的技术，柔性电化学储能器件技术的主要发展方向在于在保证与应用情景（柔性、弯折等）相适应的力学性能的前提下，改善器件的功能特性（质量/体积能量密度、质量/体积功率密度、循环寿命、稳定性）与工业规模化生产适宜度。作为兼具结构-功能特性，应用前景广阔的储能技术分支，可以预见，柔性电化学储能器件技术在今后相当长的一段时间之内将持续为众多研究者所关注，并不断取得研究进展。

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锂离子电池低温电解液研究进展

韦连梅1，燕溪溪1，张素娜1，张洁2，吴敏昌2，乔永民2，王利军1

2017 (1): 69-77. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0065

摘要 ( 1014 )

PDF(8460KB) ( 1385 )

锂离子电池低温存储技术是智慧城市发展的关键之一。商用电解液在低温下易凝固、阻抗高限制了锂离子电池的进一步应用。因此电解液的优化成为改善锂离子电池低温性能的研究热点之一。本文介绍了低温电解液的研究进展。综述了温度对锂离子电池充放电影响，提出电解液改性是提高锂离子电池低温性能的关键。低温电解液的改性主要包括锂盐、溶剂和添加剂等方面，并对锂离子电池低温性能的下一步研究进行了展望。低温电解液锂盐的研究重点在于发展具有低电荷转移阻抗和宽温范围的新体系锂盐，低温电解液溶剂的研究重点在于发展具有高介电常数的EC溶剂与低熔点的PC溶剂混合体系，低温电解液添加剂的研究重点在于传统添加剂与新型添加剂的联用。

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全钒液流电池的柔性充放电控制

邱亚1，李鑫1，魏达2，余玲1

2017 (1): 78-84. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0006

摘要 ( 556 )

PDF(5634KB) ( 622 )

全钒液流电池（vanadium redox battery，VRB）具有大容量，长寿命、安全可靠、对环境无污染等特点。为了保证全钒液流电池安全充放电并提高电池充电速度，本文提出基于内核电压估计的三闭环柔性充放电控制策略。该策略采用SOC环、电压环和电流环的三闭环结构，三个控制器均采用带限幅值的PI调节器。SOC外环可根据给定SOC值和实际SOC大小，判断电池充电或者放电；电压环采用预估的内核电压进行反馈，实现电池恒压充电；电流环可实现电池恒流充电。其中内核电压可根据全钒液流电池端电压、充放电电流及电池参考模型去预估。最后本文在Simulink上搭建了5 kW/30 kW·h的VRB模型进行仿真验证。结果表明，该控制策略下，电池充电时间缩短近40%，且保证内核电压不超调，实现了VRB的安全充放电。

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锂硫电池放电过程的热模拟

王宇晖1,2，靳俊1，郭战胜2，温兆银1

2017 (1): 85-93. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0110

摘要 ( 653 )

PDF(6973KB) ( 503 )

目前已经实用化的各种电池基本都存在与热相关的安全问题，同样在锂硫电池中也有类似的问题。热模拟的方法可以预测电池在各种工作条件下的温度分布，从而有助于电池的性能优化及结构设计。本文采用热模拟的方法对锂硫电池进行研究，预测锂硫电池工作过程中的温度变化。通过测量锂硫电池在不同温度、不同放电深度下放电过程中的开路电压和工作电压，对锂硫电池的热生成速率进行计算，再利用有限元软件COMSOL Multiphysics对电池在不同环境温度及不同放电速率条件下的温度变化进行了瞬态模拟。通过模拟计算可以得到，在放电过程中，电池内温度先降低后升高；化学反应的可逆熵变产生的热量对温度的变化起主要作用，而不可逆变化产生的热量作用相对较小。

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高功率锂离子电池软/硬复合碳负极材料

潘广宏，赵永彬，张开周，康利斌，唐堃

2017 (1): 94-100. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0015

摘要 ( 1036 )

PDF(18764KB) ( 1198 )

为了满足储能市场对高功率电池的需求，开发具有高功率性能的锂离子电池负极材料成为必然发展趋势。本文通过湿式合成法将软碳和硬碳的前驱体进行复合，开发了一种新型的复合碳锂离子电池负极材料。考察了其克比容量、库仑效率、倍率性能以及循环稳定性。用X射线粉末衍射（XRD）、拉曼、扫描电镜（SEM）以及透射电子显微镜（TEM）对所制备的复合碳材料的结构和表面形貌进行表征。结果表明，该复合碳材料同时具有软碳和硬碳的优点，且性能优于机械混合碳，在保持高比容量和高效率的前提下，倍率性能尤为突出，其2C容量可达154 mA·h/g，且2C/0.2C的容量保持率为64.2%；同时0.2C克比容量为240 mA·h/g，库仑效率为82%。经过5C充放电后，恢复0.2C小电流充放电后，容量保持率达99.8%，循环稳定性很好。XRD、拉曼以及透射电子显微镜的表征结果均表明软、硬碳在复合过程中不只是简单机械共混而是具有协同效应。

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新型锂盐氟代磺酰亚胺锂电解液对锂离子电池性能的影响

李萌1,2 邱景义1,2 张松通1,2 余仲宝1,2 饶蕾3 廖红英4

2017 (1): 101-107. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0033

摘要 ( 1038 )

PDF(7885KB) ( 807 )

采用新型锂盐双（氟代磺酰）亚胺锂（LiFSI）代替六氟磷酸锂（LiPF6）作为锂离子电池的电解液锂盐，配制不同浓度的LiFSI/EC+EMC+DMC（质量比1∶1∶1）电解液，用循环伏安、电化学阻抗（EIS）、恒流充放电等实验并结合Li+迁移数、电导率和黏度等物化参数的测试，研究新型锂盐浓度和电解液物化参数对电池倍率性能的影响。结果表明与同浓度的LiPF6电解液相比，LiFSI电解液具有更高的离子传导能力和电导率及锂离子迁移数；在0.8～1.6 mol/L的浓度范围内，含LiFSI电解液的电池相对含LiPF6电解液的电池表现出更好的电化学性能，更适用于高性能锂离子电池；1.2 mol/L为LiFSI电解液的最优浓度，此时其电导率和锂离子迁移数均达到最大值（=12.39 ms/cm，t+=0.6327），制备的锂离子电池电化学阻抗最小，倍率性能最佳。

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带级间冷却的双级离心压缩机可调进口导叶联合调节分析

闫雪1,2，左志涛1，梁奇1,2，汤宏涛1，陈海生1

2017 (1): 108-115. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0010

摘要 ( 682 )

PDF(9881KB) ( 261 )

本文建立了带级间冷却的双级离心压缩机计算模型，该模型利用多孔介质模拟级间换热器，且压缩机每级前均设有可调导叶进行变工况调节。利用该模型详细分析了双级离心压缩机变导叶联合调节性能，研究发现单级变导叶调节时，两级导叶调节规律相同，正开度改善了失速特性，负开度能够获得更高的压比，正负开度使得效率都有所降低。双级联调时，以一、二级导叶开度都为0°的工况为基准，当第一、二级导叶都为负开度时压比增大，其余开度组合的压比性能都有所降低，任意组合导叶开度的效率性能都低于基准工况。通过内部流动分析可知，合理的双级联调改善了第二级压缩机内部流动的均匀性，两级导叶对双级离心压缩机的整体性能影响效果的强弱基本相同，第一级开度由负到正变化时，第一级叶轮进口叶尖吸力面附近高速流体区域缩小，并在压力面凝聚。

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水性胶黏剂在磷酸铁锂电极制备过程中的应用研究

李山河1,2，廖小珍1，赵政威2，卢诚2，叶茂2，何龙3，罗红斌3，马紫峰1,2

2017 (1): 116-121. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0027

摘要 ( 694 )

PDF(6346KB) ( 1082 )

锂离子电池电极中的胶黏剂是其不可或缺的重要组成部分且直接影响到电池性能。水性胶黏剂有生产环保、成本低等突出优势，成为近期研究热点。本文研究了水性胶黏剂在磷酸铁锂体系中的应用，通过CV测试表明，聚丙烯酸脂类胶黏剂具有较高的氧化电位（4.65 V），适宜用作正极的胶黏剂。通过热分析仪分析了两种聚丙烯酸酯类胶黏剂LA和LB的特性，实验结果表明，LB有相对较好的热稳定性（热分解温度325 ℃）。用LA、LB胶黏剂制成的磷酸铁锂电池，通过EIS测试了电极锂离子扩算系数分别为6.2×1014 cm2/s和1.8×1014 cm2/s。通过电性能测试分析了LA和LB胶黏剂对磷酸铁锂电池容量、内阻、倍率等电性能的影响。研究表明，当LA胶黏剂添加量为3%时，电池性能较佳；LB添加量为2.5%，极片压实为2.25 g/cm3时，电池具最佳的综合电性能。较低的胶含量及适中的压实密度有利于降低电池内阻，提升电池倍率性能和综合电性能。最后，本文对未来水性胶黏剂的研究方向进行了展望。

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凝胶铅酸蓄电池热失控现象探讨

孙小祥1, 2，赵剑曦2

2017 (1): 122-126. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0046

摘要 ( 599 )

PDF(4086KB) ( 457 )

分析了阀控式铅酸蓄电池热失控发生的原因，结合当前企业使用AGM隔板的现状，从正极析氧和隔板两个角度讨论了以气相二氧化硅为凝胶剂的凝胶电池热失控发生的可能性。结果表明，气相二氧化硅含量强烈影响了电池正极的析氧，为减小凝胶电池热失控的发生，气相二氧化硅的含量应小于5%（质量分数）。对当前使用AGM隔板的凝胶电池，由于它的大孔道，存在较大热失控的风险，为此强调开发与凝胶电池配套专用隔板的重要性，由此可实现真正意义的高质量凝胶电池。

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基于空间变换的含风电场和电动汽车配电网概率潮流计算

朱张涛1，陈豪杰2，戴俊杰1，李卫彬1，李雪2

2017 (1): 127-134. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0075

摘要 ( 457 )

PDF(5818KB) ( 484 )

电动汽车和分布式发电的广泛接入增加了现代配电网的复杂性，同时输入随机变量的相关性对配电网的影响也越来越大。基于此，本文采用Nataf变换或者三阶多项式正态变换实现变量从相关非正态空间到相关标准正态空间的转换，采用初等变换或者正交变换实现变量从相关标准正态空间到独立标准正态空间的转换，从而得到标准的点估计运算所需的相互独立输入随机变量，进而建立了能用2m+1点估计方法求解的概率潮流模型，从而解决了相关输入随机变量的概率潮流问题，以实现含电动汽车的有源配电网系统的仿真运行分析。最后，在一个含风电和电动汽车的IEEE-33节点配电网中进行算例仿真，比较四个方案处理输入随机变量相关性的有效性。算例分析表明，Nataf变换结合初等变换具有最好的精度。

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TICC-500储能阶段的建模和热力特性

贾祥，崔凝

2017 (1): 135-140. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0050

摘要 ( 832 )

PDF(4591KB) ( 650 )

以500 kW-TICC系统为研究对象，采用集中参数法建立了系统储能设备的集总参数数学模型，然后用C语言编写相应的程序算法，对所建算法进行算法入库，在华北电力大学STAR-90仿真支撑系统上搭建系统实时动态仿真模型，对500 kW-TICC储能阶段冷态启动阶段进行仿真。分析了压气机环节、换热器环节、储气罐环节和储热罐环节的动态特性。仿真结果表明，进气流量对系统储能阶段参数的影响较大，储气室内气体的温度变化比较平缓。此仿真结果误差满足实际需要，对系统实际运行的动态特性有很重要的参考和借鉴作用。

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适用于电网的先进大容量储能技术发展路线图

李琼慧1，王彩霞1，张静2，宁娜2

2017 (1): 141-146. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0082

摘要 ( 669 )

PDF(6939KB) ( 684 )

随着能源转型的加快推进，接入高比例可再生能源已成为电网发展的必然趋势，先进大容量储能技术成为电网适应高比例可再生能源接入的重要选择。与此同时，随着储能技术的发展，新的先进大容量储能技术不断涌现，储能技术在电网的应用领域日益广泛。本文着眼于电网应用，首先分析了储能技术及发展现状，其次分析了先进大容量储能技术及其技术经济特性，在此基础上，采用专家研讨会、调查问卷或面访等多种形式，结合国内外相关研究成果以及调研访谈数据，从储能技术应用规模、技术特性、经济性等方面，提出2016—2020、2021—2030及2030年以后我国适用于电网的先进大容量储能技术发展路线图。

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黑启动火电机组后储能型风电场的调控策略研究

米增强1，白俊1，刘力卿1，范卫东2，杨再敏2

2017 (1): 147-153. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0087

摘要 ( 590 )

PDF(6566KB) ( 570 )

利用储能型风电场作为黑启动电源带动局域电网内的火电机组启动后，将其与火电机组组成风储火系统并列运行，对提高电网的恢复速度具有重要作用。为形成风储火系统并使其在局域电网后续恢复过程中能够保持稳定，提出了一种在启动火电机组后储能型风电场的控制策略：在电池储能系统控制单元中采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法，并通过对其控制策略的切换点进行调整，以使电池储能系统能够在火电机组与储能型风电场并列运行瞬间实现由V/f控制到P/Q控制的无缝切换；在电池储能系统控制单元中建立附加惯性控制器和附加频率下垂控制器以提高风储火系统的频率稳定性，在双馈风电机组控制单元中建立附加电压下垂控制器以提高风储火系统的电压稳定性。仿真结果表明：利用所提调控策略能够在火电机组与储能型风电场并列运行瞬间，使电池储能系统的控制策略进行平滑切换，并能使风储火系统在恢复局域电网内其它机组或负荷时保持稳定。

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压缩空气膨胀发电系统最大效率跟踪控制策略

宋洁1，赵波1，梁丹曦2，刘海军1

2017 (1): 154-161. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0028

摘要 ( 624 )

PDF(6250KB) ( 603 )

传统微小型压缩空气储能膨胀发电系统通过变速箱来降低转速，使其输出电能满足功率需求，这种方式下膨胀机无法根据流量变化工作在相应的最大效率点，同时，变速箱的接入增加了系统损耗、占地、维护成本，降低了膨胀发电环节效率。考虑变流器灵活的转速控制与功率控制能力，本文在去掉变速箱的同时将变流器引入，在充分考虑热、气、电耦合因素下，结合相似理论提出了膨胀发电系统最高效率点跟踪控制策略，通过转速控制使膨胀机在不同功率指令下均达到效率最优。并对膨胀发电系统进行建模仿真，结果表明，变流器具有灵活的控制能力，系统在不同功率需求下均稳定运行，不但可以实时调节转速跟踪参考值，而且膨胀机在不同功率需求下均工作在最大效率，实现最佳工作状态运行。

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“高效纳米储能材料与器件的基础研究”项目介绍

谢清水，王来森，彭栋梁

2017 (1): 162-164. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0092

摘要 ( 927 )

PDF(2533KB) ( 966 )

2016年2月国家科技部组织编制了“纳米科技”重点专项实施方案并发布了2016年度项目申报指南。通过形式审查、函评、视频答辩等申报环节，“纳米科技”重点专项最终在7个研究方向上启动了43个项目。针对指南中“5.2纳米能量存储材料及器件”，由厦门大学牵头，联合武汉理工大学、华南理工大学及中山大学，组织申报的“高效纳米储能材料与器件的基础研究”项目获得了支持。本文介绍了“高效纳米储能材料与器件的基础研究”项目的目的与意义，研究目标，拟解决的关键科学问题，研究内容与考核指标，研究团队与研究基础，研究挑战和项目预期效益。

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