储能科学与技术

本期中英文目录及封面

2020 (6): 0.

摘要 ( 174 )

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液晶电解质在锂离子电池中的应用进展

李昕桐, 张霖琛, 张焕瑞, 张波涛, 崔光磊

2020 (6): 1595-1605. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0176

摘要 ( 865 )

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PDF(2347KB) ( 588 )

发展高性能新型电解质是解决传统锂离子电池安全性和能量密度不足等问题的重要途径。液晶具有液体的流动性和晶体的各向异性，可以与锂盐混合制备液晶电解质，通过自组装形成柱状相、近晶相或双连续立方相等纳米偏析结构，为Li⁺的传输提供高效的离子传输通道，在锂离子电池中具有十分广阔的应用前景。尽管液晶电解质在锂离子电池中的应用研究已经取得了一些进展，但目前国内外尚未有详细的报道来总结其发展现状。因此，本文通过对相关文献的探讨，介绍了液晶电解质的研究进展，重点描述了Li⁺在非离子型和离子型液晶电解质中的离子传输机制，同时对应用于锂离子电池体系中的液晶电解质的电化学性能进行了总结。综合分析表明，液晶电解质可以通过进一步调控液晶分子的结构以及添加液态增塑剂等方式来提高其电化学性能，有望应用于高性能的锂离子电池体系。最后，本文对液晶电解质面临的挑战和未来可能的发展趋势进行了分析与展望。

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基于溶解沉积机制锂硫电池的研究进展简评

闫梦蝶, 李晖, 凌敏, 潘慧霖, 张强

2020 (6): 1606-1613. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0148

摘要 ( 649 )

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PDF(4355KB) ( 920 )

锂硫电池采用高比容量单质硫和锂分别作为正负极电极材料，具有成本低、能量密度高等优点，因而引起了研究者们的广泛关注。目前，通过开发多种功能型的硫正极结构和电解液，锂硫电池的电化学性能已经取得了长足的进步，研究者对锂硫电池的反应路径和机制也得到了深入的认识。然而，在锂硫电池转向实用化的过程中仍面临诸多挑战。本文通过对近年来锂硫电池的研究进展进行分析，探讨了近实际条件下硫正极和锂负极面临的困难，如硫利用率低、循环性能差、锂枝晶和“死锂”等。最后指出未来如何从实际角度理解和解决厚电极、低电解液用量、低N/P比例的情况下硫正极和锂负极持续可逆反应问题，将是提升锂硫电池实际能量密度和循环寿命的关键。将硫电极结构、电解液（质）及金属锂保护三者有机结合，提高硫正极和锂负极的结构和电化学稳定性，构建良好导电网络，充分发挥锂硫电池高能量、低成本的优势，将有望实现锂硫电池的实用化。

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锂离子电池硅基负极比容量提升的研究进展

余晨露, 田晓华, 张哲娟, 孙　卓

2020 (6): 1614-1628. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0163

摘要 ( 1147 )

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优化锂离子电池负极材料的首次库仑效率和循环稳定性对提升电池的可逆比容量具有重要意义。硅碳复合材料是目前公认的下一代锂离子电池负极材料，本文调研了硅碳二次粒子负极的工艺细节对电池性能的影响，介绍了硅碳二次粒子结构设计、硅基负极材料的预锂化及硅基负极黏结剂等研究进展及存在的不足。在综合分析硅基负极材料的基础科学问题与提升比容量的关键技术的基础上，对开发高性能、高稳定性硅基负极材料的结构、工艺、黏结材料体系方面提出明确要求。

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锂金属电池电解液组分调控的研究进展

冯建文, 胡时光, 韩　兵, 肖映林, 邓永红, 王朝阳

2020 (6): 1629-1640. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0144

摘要 ( 1368 )

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锂金属电池因其极高的能量密度而受到广泛关注。然而，高活性的锂金属负极与有机电解液之间的副反应，以及不受控制的锂枝晶生长给锂金属电池带来严重的安全隐患，从而阻碍了锂金属电池的发展。锂金属表面不稳定的固态电解质界面膜(SEI)以及由此产生的不均匀锂沉积是这些问题的根源。作为锂金属电池的重要组成部分，液体电解液与锂金属负极的相容性，以及液体电解液本身的性质决定了锂金属电池的实用性。本文首先介绍了液体电解液在锂金属电池中的作用机理，然后从添加剂、导电锂盐及有机溶剂三个方面介绍了近年来与锂金属电池电解液组分调控相关的研究进展。对于液体电解液添加剂，主要介绍了成膜添加剂和调控锂沉积行为的添加剂。对于导电锂盐，主要介绍了新型锂盐、混合锂盐以及锂盐浓度调控3种策略。对于有机溶剂，主要介绍了碳酸酯类溶剂、磷酸酯类溶剂和醚类溶剂对锂金属电池的影响。结果表明，调控电解液组分可以改善锂沉积的行为以及SEI膜的组分和性质，是解决上述问题最简便、最有效的策略之一。最后，本文还展望了该领域未来的研究方向。

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废旧锂离子电池有机酸湿法冶金回收技术研究进展

李林林, 曹林娟, 麦永雄, 门一飞, 杨伟, 陈胜洲

2020 (6): 1641-1650. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0199

摘要 ( 933 )

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近几年随着电动汽车的普及，废旧锂离子电池的数量也迅速增长，从环境保护和资源利用的角度来说，废旧锂离子电池回收是必然的趋势，然而目前废旧锂离子电池的回收技术由于二次污染、成本高的问题，并未得到广泛的应用，因此寻求更加绿色环保经济高效的回收技术迫在眉睫。湿法冶金回收技术因其能量需求低、回收产物纯度高、成本低而成为废旧锂离子电池回收方法中最具有前景的工艺。本文通过对相关文献的研究，综述了目前湿法冶金回收技术中有机酸对废旧锂离子电池中金属浸出的影响，着重介绍了酸浸过程中苹果酸、柠檬酸、草酸等有机酸的特点，重点比较了各种有机酸在浸出过程中的反应条件以及金属浸出效率，分析了浸出过程中有机酸与活性物质的浸出动力学。综合分析表明，通过对浸出动力学进行探究，能够优化影响金属浸出的因素，提升金属浸出效率，进而提高湿法冶金回收技术的整体回收效率。在未来的发展中，有机酸的浸出动力学有望成为湿法冶金回收工艺研究的重要方向。

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纳米二氧化硅改性PVAPB水凝胶电解质及其在超级电容器中的应用

杨　晨, 齐世凯, 姜猛进

2020 (6): 1651-1656. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0173

摘要 ( 538 )

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采用纳米二氧化硅(SiO₂)对原位电沉积所制备的聚乙烯醇硼酸钾(PVAPB)水凝胶电解质(HPE)进行掺杂改性，并对掺杂前后的电解质进行结构、形貌、热性能以及电导率进行分析。结果显示掺杂前后电解质都具有稳定的化学结构，SiO₂的加入会增加HPE的盐含量，促进离子的解离和运动。改性后的PVAPB HPE离子电导率达到了1.59 mS/cm。由SiO₂改性PVAPB HPE组装的超级电容器在1.0 A/g的电流密度下具有75.6 F/g的比容量，且时间常数为33.3 s。相比于未改性的超级电容器的容量提高了13.5%，时间常数缩短了一半。同时，使用SiO₂掺杂改性HPE的超级电容器也体现出优异的倍率性能。

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石墨烯氮掺杂调控及对电容特性影响机制研究进展

赖日鑫, 姜传建, 刘琳, 张文峰, 向宇, 明海, 张浩, 曹高萍, 杜韫

2020 (6): 1657-1667. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0209

摘要 ( 603 )

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石墨烯是一种有着多种优异性能的材料，但其表面活性位点少导致在储能等方面应用受限，对石墨烯进行氮原子掺杂是改善其性能的有效途径。石墨烯氮掺杂的方法大体上可以分成两类：一是利用小分子或气体作为氮源和碳源直接合成氮石墨烯的原位氮掺杂，常见方法有化学气相沉积法、溶剂热法、电弧放电法等；二是以石墨烯或氧化石墨烯为原料来进行氮原子引入的后处理氮掺杂，常见方法有热处理法、化学处理法、等离子体处理法等。氮原子以不同的构型进入石墨烯晶格，使得氮掺杂石墨烯具有不同的物理化学性能。作为超级电容器电极材料是氮掺杂石墨烯的一个重要应用，但掺杂氮原子对促进石墨烯电容性能提高的机制仍没有统一的科学结论。本文简要介绍了各种石墨烯氮掺杂方法的特点，重点综述了不同构型氮原子掺杂调控方法的研究进展，梳理了反应温度、前驱体结构、反应能量、氮掺杂量等因素对于生成吡咯型、吡啶型和石墨型等各种不同构型掺杂氮的影响，同时也综述了吡咯型、吡啶型和石墨型三类掺杂氮对石墨烯电容特性影响机制的一些主要观点，并对未来氮掺杂石墨烯的研究方向进行了展望。

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铁基氧化还原液流电池研究进展及展望

郭定域, 蒋峰景, 张竹涵

2020 (6): 1668-1677. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0171

摘要 ( 939 )

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液流电池作为大规模储能技术，具有广泛的应用前景。但是目前主流液流电池由于成本过高导致商业化进程缓慢。利用液流电池技术实现大规模储能需要大量包含电化学活性物质的电解液，通常由不同价态的金属、离子化合物、溶剂及添加剂组成。由于铁元素具有储量丰富、环保无污染等优点，铁单质或铁的化合物是液流电池的正负极活性物质的理想材料，受到了研究人员的广泛关注。基于现有的研究工作，综述了不同类型的铁基混合液流电池和全液流电池的研究进展，梳理讨论了形成不同铁液流电池性能差异的影响因素如析氢、溶解度、电导率、反应动力学等，最后总结并展望了铁基液流电池的发展趋势和前景，提出需要进一步研究降低电极析氢的措施，探索经济且活性物质易回收的方案，提高电极的稳定性，并探索新的电极结构和水系液流电池体系。

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锌镍单液流电池发展现状

杨朝霞, 娄景媛, 李雪菁, 王涵文, 王柯忠, 尤东江

2020 (6): 1678-1690. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0219

摘要 ( 848 )

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锌镍单液流电池由于安全、稳定、成本低、能量密度高等优点成为电化学储能热点技术之一。介绍了锌镍单液流电池的工作原理。从基础研究角度，重点汇总并分析了该电池存在的主要问题、影响因素及解决方案：锌沉积形貌与电解液体系、工作电流密度、负极基材等多种因素有关，因而可以通过优化上述条件来控制；因副反应消耗电荷的不平衡引起锌的积累，可以通过抑制正极副反应、增强负极副反应以及制备复合正极材料等措施来降低积累问题；极化现象与电流密度有关，可以通过优化电解质流场结构以及利用多孔电极材料两个方面来降低电极极化；另外，开发新型电极材料可以降低电池成本、提高正负电极的面积容量。从应用研究角度，简要剖析了该电池的数学建模情况以及目前主要的工程应用概况：通过构建不同类型的电池模型可以探究不同因素对电池的影响；实际应用中，锌镍单液流电池已经经历了三代规模化产品。最后提出了开发新型电池结构、建立精准物理模型、将电池与仿生结合等将是锌镍单液流电池发展的方向。

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电化学还原二氧化碳电解器相关研究概述及展望

古月圆, 韦聚才, 李金东, 王路阳, 吴旭

2020 (6): 1691-1701. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0167

摘要 ( 876 )

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电化学还原二氧化碳技术可以解决可再生能源(如太阳能)供需不匹配的问题，将过剩的电能转化为具有高附加值的化学品储存，同时减少二氧化碳排放，缓解环境压力。早期研究多在H型电解池中进行，但是这与二氧化碳电化学还原技术的实际工业应用方式差别较大，且受到传质限制，面临电流密度较低的问题。本文主要聚焦于采用连续式二氧化碳电化学还原反应器的相关研究，介绍目前常用的几种反应器结构，对电解器各组成部分、运行条件、可能的优化方式如新型气体扩散电极结构等、电解器失效机理及可能的修复方法进行了探讨。同时认为，由于各研究中采用的电解器结构、组成及运行参数存在差异，电解器中参比电极的使用对于比较各研究中阴极催化剂性能十分有必要。最后，总结提出了二氧化碳电解器的几种改进方式：①催化剂层浆料制备工艺，黏结剂的选择；②优化气体扩散电极制备工艺，基底的选择；③高效稳定的聚合物电解质膜的开发；④运行操作参数优化。

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助熔剂法制备单晶LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料

任思佳, 田雷武, 邵钦君, 陈剑

2020 (6): 1702-1713. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0149

摘要 ( 1535 )

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高镍三元材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)具有比容量高、成本较低和安全性较高等优点，已成为新一代高能量密度锂离子电池的首选正极材料之一。但材料晶胞在充电和放电过程中发生收缩和膨胀，导致多晶态的NCM811由于晶间应力而产生微裂纹，材料的循环寿命尚不理想。与多晶态的三元材料相比，单晶三元材料具有更优的力学性能、热稳定性和循环稳定性。本文优选了低熔点混合助熔剂LiNO₃-LiOH，并将其应用于合成单晶NCM811材料，借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电化学测试等方法，研究了助熔剂用量和烧结温度对产物NCM811材料的结构、形貌、电化学性能的影响，并通过掺杂Mg元素对材料进行进一步的改性。结果表明，助熔剂在“助熔剂-前体”混合物中的摩尔分数为90%、烧结温度为800 °C时，制备的单晶NCM811材料的粒径为1～2 μm，结晶性良好，且具有优异的电化学性能和循环稳定性。Mg元素掺杂的单晶NCM811材料的循环稳定性得到进一步提高，以1 C倍率进行充放电，经过100次循环后的放电比容量为165.4 mA·h/g，容量保持率为97.7%。而采用商品前体制备的多晶态的NCM811材料，以1 C倍率进行充放电，循环100次后的放电比容量为132.9 mA·h/g，容量保持率为75.0%。表明单晶NCM811材料的循环稳定性和电化学性能均明显优于多晶态的NCM811材料。

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涂碳铝箔对磷酸铁锂电池性能的影响

李敏, 相佳媛, 杨东辉, 王羽平, 陈冬, 陈建, 涂江平

2020 (6): 1714-1719. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0153

摘要 ( 1227 )

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PDF(5824KB) ( 1279 )

为了了解涂碳铝箔对磷酸铁锂电池性能的影响，分别对涂碳铝箔（包括涂炭黑铝箔和涂石墨烯铝箔）和光铝箔进行了形貌表征。扫描电子显微结果显示，涂炭黑铝箔表面没有完全被炭黑颗粒团聚体覆盖，而涂石墨烯铝箔表面则均匀平铺着石墨烯纳米片。之后进一步以3种铝箔为集流体制作了磷酸铁锂电池，来评估其对锂离子电池电化学性能的影响。结果显示，涂碳铝箔和光铝箔所制电池的电化学阻抗谱具有明显差异，涂碳铝箔对电池内阻具有显著的改善作用，光铝箔所制电池的阻抗谱则多一段由铝箔与活性材料界面空隙处的双电层电容产生的容抗弧。存储测试结果表明，使用涂碳铝箔后，电池自放电更小，存储性能有所改善。倍率充放电测试结果显示，涂碳铝箔电池大电流充放电时恒流充入比和放电中值电压更高，电池极化更小，功率性能更好。涂碳铝箔电池的低温性能也更具有竞争优势，其初始放电电压平台更高，放电容量也更高。涂碳铝箔对电池的1 C循环和3 C循环性能也有显著提升。同时，研究发现，涂碳层种类不同，对磷酸铁锂电池性能的提升效果不同：涂石墨烯铝箔在高功率工况下对磷酸铁锂电池性能的提升幅度优于涂炭黑铝箔，原因在于石墨烯片层在沿铝箔表面方向对导电和导热性能的改善优于炭黑涂层。

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石墨烯面间距和碳纳米管直径对双电层电容器电容的影响

朱蓝方, 刘冰

2020 (6): 1720-1728. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0131

摘要 ( 408 )

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双电层电容器作为一种新型储能装置因为功率密度大、使用寿命长、清洁环保等优点在设备储能、电动汽车和电网等领域具有巨大潜力。虽然如此，其能量密度低的缺点却阻碍了其应用。通过增大其电容可提高其能量密度，因此采用分子动力学模拟(MD)的方法研究了石墨烯面间距(狭缝孔径)和碳纳米管直径(圆孔直径)对面积比电容的影响规律，以此间接反映石墨烯面间距和碳纳米管直径对能量密度的影响。通过分析K⁺和H₂O的分布规律，发现在狭缝孔中，当K⁺呈单层分布(面间距小于0.5 nm)时，电容随着面间距减小而增加；K⁺呈双层分布(面间距介于0.5～0.803 nm)时则相反；而在圆孔中，电容随直径呈振荡变化，并且由于曲率，其面积比电容比狭缝孔的大得多。

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基于水合盐的热化学吸附储热技术研究进展

翁立奎, 张叶龙, 姜琳, 贾亦轩, 谈玲华, 金翼, 丁玉龙

2020 (6): 1729-1736. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0168

摘要 ( 598 )

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热化学吸附储热技术与传统的显热储热和相变储热技术相比具有储热密度高、热损失小和能实现跨季节储热的优点。本文综述了无机盐-水体系（也称水合盐）热化学吸附储热技术的研究现状，对典型热化学吸附材料和化学吸附反应器进行了总结。现有水合盐化学吸附体系主要包括卤盐-水和硫酸盐-水，虽然具有较高的储热密度，然而在化学吸附储热系统中使用时存在潮解导致的反应器腐蚀或膨胀结块导致的动力学性能降低等问题。以多孔材料为载体复合水合盐的方式有望解决目前存在的技术问题，提出开发新型多孔载体和化学吸附储热系统的结构优化是推动化学吸附储热技术工业化的关键。

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木质素在储能领域中的应用研究进展

吴彩文, 黄丽菁, 邹春阳, 李博文, 吴文娟

2020 (6): 1737-1746. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0187

摘要 ( 976 )

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木质素作为一种储量丰富、廉价可再生的生物资源，已被广泛应用于工业领域并取得一定的进展，但在储能领域的应用还十分有限。为进一步拓宽木质素在储能材料中的应用范围，本文综述了近年来木质素及其衍生物在可充电电池(铅酸蓄电池、锂离子电池)、燃料电池、太阳能电池和超级电容器等高附加值产品领域的研究进展。其中，对不同来源木质素基本性质、特点作了简要介绍，并基于木质素及其衍生物在分子结构上的设计灵活性和多样性，通过直接选用木质素或改性、掺杂一种或多种杂原子制备出助剂、黏结剂、催化剂、电池或超级电容器电极材料等，探讨分析了不同木质素基储能装置的运作机制和表现出的不同差异的电化学性能。结果表明，在能源储存装置中使用木质素，不仅提升了储能装置的循环稳定性、延长了使用寿命，而且降低了生产成本、减轻了化学污染。最后，为进一步提升木质素基储能装置的能量存储和输出效率，对未来木质素基储能材料面临的挑战和可能的发展方向进行了展望。

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基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究

叶闻杰, 杨肖, 孙富华, 杨冬梅, 杜炜, 杨波, 刘杨, 王启扬

2020 (6): 1747-1754. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0155

摘要 ( 648 )

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掌握相变材料蓄、放热过程的影响因素对提高相变蓄、放热效率具有重要的指导意义。本文建立了平板换热器相变换热单元模型，基于Fluent软件的凝固/融化模型，以南瑞集团自主研发的乙酸钠基复合相变材料对其凝固放热过程进行仿真，分析了不同换热结构、流体流速以及相变材料厚度对相变材料换热过程的影响，并对平板换热器相变换热单元结构优化，创新性的设计了微通道平板换热器相变换热单元。结果表明：换热器的结构对换热性能有着重要的影响，相比于普通的平板式换热器，微通道换热器能明显地降低相变材料放热时间；流体流速增大放热速度有所提高，但是容易导致速度场温度场不均匀，换热性能提升有限。相变材料凝固总时间随相变材料厚度的增加而增加，对于相变蓄热产品，需按照设计时间对相变单元相变材料厚度进行选型。最后以仿真结果制备相变样机、搭建储/放热系统，并对比实验数据验证模拟结果。

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新型低熔点混合熔盐储热材料的开发

罗海华, 沈强, 林俊光, 张艳梅, 徐云柯

2020 (6): 1755-1759. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0204

摘要 ( 722 )

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硝酸盐作为储热介质具有使用温度高、传热性能好、比热容大等优势，开发新型多元低熔点熔盐储热材料可以解决传统二元盐存在的储能效率低和管道冻堵等问题。本文基于相图热力学计算CALPHAD方法，利用PANDAT软件开展NaNO₃-NaNO₂-KNO₂三元体系相图热力学计算并获得该三元体系的共晶点成分配比，经测试实验结果和理论结果基本一致。在三元共晶点成分配比基础上添加LiNO₃制备了NaNO₃-KNO₂-NaNO₂-LiNO₃四元熔盐，通过实验优化筛选获得四元低熔点熔盐成分配比，其组成为w（NaNO₃）=21.57%，w（KNO₂）=41.27%，w（NaNO₂）=17.16%，w（LiNO₃）=20%，经DSC和TG测试该低熔点熔盐熔点为84.2 ℃，上限使用温度为583.3 ℃，步冷曲线实验测试其固-液相变温度为78.9 ℃。研究结果表明该低熔点熔盐作为储热传热介质可广泛应用于光热发电、工业储热等领域。

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溶胶凝胶燃烧合成纳米NiO对太阳盐微结构和热性能的影响

戴佩, 程晓敏, 李元元

2020 (6): 1760-1767. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0125

摘要 ( 376 )

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提高太阳盐的比热容可以增强其蓄热能力，是近年来中高温储能领域的研究热点。本文采用溶胶凝胶燃烧法在太阳盐中原位合成纳米NiO，制备改性太阳盐。利用XRD、SEM、TEM、EDS和DSC等测试与表征手段分析了纳米NiO对太阳盐微观结构和热性能的影响。结果表明，太阳盐中成功合成了直径为8～10 nm的球形NiO颗粒，并且纳米颗粒会产生团聚形成尺寸为0.1～0.5 μm的小团簇体。溶胶凝胶燃烧法原位合成的纳米NiO可以大幅提高太阳盐的比热容。界面能的增加和半固态层的形成是改性太阳盐比热容提高的主要原因。

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月桂酸/十四醇/二氧化硅定形相变材料的制备及性能研究

王赛, 孙志高, 李娟, 李翠敏

2020 (6): 1768-1774. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0202

摘要 ( 447 )

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为了克服建筑用相变材料实际应用时容易泄漏的缺陷，本工作利用溶胶-凝胶法，以二氧化硅为载体，对储能基体月桂酸/十四醇复合相变材料（LA-TD）进行封装，制备了月桂酸/十四醇/二氧化硅定形相变材料（LA-TD/SiO₂）。从缩合反应pH值、搅拌速率以及相变材料添加量三个方面确定了定形相变材料的最佳制备体系，并对最佳制备体系下得到的定形相变材料进行了扫描电子显微镜分析（SEM）、傅里叶红外光谱分析（FT-IR）、差式扫描量热分析（DSC）和热失重分析（TG）表征测试，研究了定形相变材料的表面形貌以及热物性。结果表明，定形相变材料在微观上呈规则球状，粒径最大不超过30 μm，SiO₂对LA-TD形成了有效包裹，二者之间仅为物理结合。定形相变材料的相变温度和相变潜热分别为24.81 ℃和47.96 J/g，相变温度较LA-TD（25.0 ℃）有轻微下降，相变潜热约为LA-TD（136.28 J/g）的1/3，与LA-TD在定形相变材料中的含量基本吻合，表明定形封装的效果较好。500次冷热循环老化实验后的DSC与TG测试表明定形相变材料具有良好的热稳定性，可应用于建筑墙体。

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高温熔盐基纳米流体热物性的稳定性研究

李　昭, 李宝让, 崔　柳, 杜小泽

2020 (6): 1775-1783. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020-0133

摘要 ( 649 )

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PDF(2125KB) ( 545 )

利用纳米颗粒可显著强化高温熔融盐的储热和热输运性能，但在实际应用中，面临纳米颗粒团聚导致的强化作用衰减。采用两步法配制了质量分数为1%的SiO₂-Solar Salt纳米流体，并设置长时间高温保温工况，以比热容衰减幅度和样品微观结构为评价标准，探究两步法制备样品的稳定性。实验结果表明，两步法所制备样品的比热容提升幅度较为明显，但其稳定性较差，经长期高温保温工况后，比热容提升幅度衰减较为明显，且微观形貌显示其中SiO₂纳米颗粒含量大幅减少。为探究改善高温熔盐基纳米流体稳定性的方法，本工作从纳米流体制备方法和纳米颗粒选材角度入手进行研究。选取高温熔融法制备相同样品，实验结果表明，其比热容提升幅度与两步法所制备样品相差不大，但经长期高温保温工况后，比热容提升幅度的衰减小于两步法所制备样品，SiO₂纳米颗粒含量也有所提升，稳定性得以初步改善。在采用高温熔融法的基础上进一步研究，添加少量Al₂O₃、TiO₂或CuO，与SiO₂形成混合纳米颗粒以制备纳米颗粒总量1%的样品，实验结果表明Al₂O₃-SiO₂混合纳米流体经过100 h高温保温工况后，比热容提升幅度的衰减率已缩小至6.1%，稳定性得到进一步的提升，而TiO₂-SiO₂、CuO-SiO₂混合纳米流体样品经过高温保温工况已完全失去比热容提升能力，稳定性恶化。研究结果对提高熔盐基纳米流体稳定性、增强其实用性具有重大意义。

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板式相变储能单元的蓄热特性及其优化

刘丽辉, 莫雅菁, 孙小琴, 李　杰

2020 (6): 1784-1789. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0107

摘要 ( 679 )

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PDF(2336KB) ( 336 )

本文以板式相变储能单元为研究对象、石蜡作为相变材料，探究了不同单元结构内板式相变储能单元的蓄热过程，综合考虑相变储能单元中热电偶的布置、相变储能单元的宽高比及厚度的影响，对相变蓄热过程的换热效率进行了分析与讨论。结果表明：测点热电偶会加快石蜡熔化过程；液相材料内的自然对流加速了石蜡的熔化进程，使相变储能单元上部区域熔化速率高于下部区域；受浮升力以及换热面积的共同影响，宽高比为3∶1的相变储能单元熔化速率最快，宽高比为2∶3的储能单元熔化速率最慢；石蜡熔化总时长随厚度的增加呈抛物线形式增长。经济性分析表明，宽高比为3∶1、厚度为30 mm的相变储能单元为最优结构。

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基于热电制冷的动力电池模组散热性能研究

李俊伟, 张恒运, 吴笑宇, 王　影

2020 (6): 1790-1797. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0142

摘要 ( 607 )

HTML ( 15 )

PDF(1749KB) ( 466 )

本文研究了基于热电制冷（TEC）的电动汽车电池模组散热性能。圆柱电池模组按3×5阵列排布，两侧对称布置热电制冷系统，采用理论分析建立了电池模组的一维热阻网络，以评估热性能。通过改变TEC电流、电池单体温度、冷热端热阻、TEC布置方式来研究TEC的最大制冷功率Q_tot，制冷效能COP（coefficient of performance）和最佳工作电流。结果表明TEC的冷端温度随着TEC电流的增大呈先减小后增大趋势，而热端温度则随着TEC输入电流的增大而逐渐增大。制冷功率随TEC电流增大呈先增大后减小趋势，而TEC的COP值随着电流的增大而逐渐减小，电池温度在30～50 ℃下制冷效率在0.45～0.60之间。最大制冷功率对应的最佳工作电流在5.5～6.25 A之间。冷、热端热阻影响TEC的制冷功率和最佳制冷电流。其中，最大制冷功率对应的最佳TEC电流受热端热阻的影响较大，受冷端热阻的影响较小。

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基于LBM的三角腔固液相变模拟

高一倩, 柳　毅, 李　凌

2020 (6): 1798-1805. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0138

摘要 ( 557 )

HTML ( 14 )

PDF(1644KB) ( 319 )

利用格子Boltzmann方法(LBM)模拟三角腔中的自然对流融化现象，分析瑞利数Ra、局部热源尺寸L及位置S对其相变换热和储能特性的影响。数值计算表明：①相变材料在全热边界三角腔内的完全融化时间随对流循环强度的增加呈现先增后减的趋势，临界Ra值为31000，当Ra大于31000时，融化进程和对流效应呈现正相关，低于31000时，表现为负相关；②局部加热尺寸L较小时，中间热源的融化时间最短，储能效率更高；上部热源的融化时间最长。此外，因受冷斜壁的影响程度不同，随着对流效应的增强，上部热源的总融化时间增大，下部热源的总融化时间缩短，而中间热源的总融化时间随对流强度的增加呈先增后减的趋势，存在一临界值Ra=19000；③L≥0.5时，下部加热成为最佳融化位置，储能时间最短；随着对流强度的增加，上、中、下三种局部加热方案的总融化时间均表现为先增后减的趋势，且临界Ra值随着加热长度的增加而增加，此外，加热尺寸在不同位置上的变化对相变储能进程也有不同的影响。本研究工作有助于为实际相变换热设备的优化设计和高效储能提供理论依据和技术指导。

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高速储能飞轮转子芯轴-轮毂连接结构优化设计

汪军水, 戴兴建, 徐旸, 皮振宏

2020 (6): 1806-1811. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0266

摘要 ( 530 )

HTML ( 8 )

PDF(2441KB) ( 317 )

针对储能25 MJ的金属芯轴-轮毂-复合材料轮缘飞轮转子的结构设计问题，本文探讨了芯轴-轮毂-复合材料轮缘连接部位的应力和变形特性。利用有限元分析软件，求解了芯轴-轮毂结构应力和变形，分析了自适应法兰变形规律，优化了销钉孔形状、位置以及芯轴结构，提出了椭圆销钉孔新结构。有限元分析结果表明，在额定转速24000 r/min下，飞轮芯轴-轮毂结构整体最大应力由734.23 MPa降低为487.28 MPa，显著提高了整体结构的强度安全裕度。

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锂电池百篇论文点评（2020.08.01—2020.09.30）

季洪祥, 起文斌, 金周, 田孟羽, 武怿达, 詹元杰, 田丰, 闫勇, 岑官骏, 乔荣涵, 申晓宇, 贲留斌, 俞海龙, 刘燕燕, 黄学杰

2020 (6): 1812-1827. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0341

摘要 ( 872 )

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PDF(1714KB) ( 1109 )

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2020年8月1日至2020年9月30日上线的锂电池研究论文，共有3062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、镍酸锂、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侧重于电极结构的设计、预锂化、界面稳定机制等，金属锂负极的研究侧重于通过电极结构的设计来调控SEI的生长以及抑制锂枝晶的形成。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。液态电解液方面主要涉及对溶剂、锂盐以及添加剂的选择优化设计，特别是针对高电压镍锰酸锂的电解液研究有多篇论文。针对固态电池，有文章提到通过合金化负极的设计提高锂沉积的均匀性；也有文章研究了硫化物固体电解质基全固态电极的湿法涂覆技术。锂硫电池的研究重点是提高硫正极的活性。测试表征方面偏重于用原位方法对材料结构和电极/电解质界面、热失效机理等进行观测和分析，固态电池的界面问题研究是热点。此外，还有多篇论文用理论计算对材料的电子结构以及界面结构及锂离子的输运机制进行了探讨。

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大规模电池储能调频应用运行效益评估

饶宇飞, 高泽, 杨水丽, 王丽君, 李相俊, 张景超

2020 (6): 1828-1836. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0223

摘要 ( 616 )

HTML ( 26 )

PDF(1289KB) ( 702 )

具有优异控制性能的电池储能系统成为应对故障或大功率扰动后因电网调频能力不足而使系统频率特性恶化的新一代支撑手段，但储能应用市场机制尚未厘清以及效用与价值衡量尚不系统从而制约储能在调频领域的发展。针对该问题，本文在分析各有侧重的储能调频价值量化研究成果基础上，结合设备、基建、运行维护等成本构成分析，从储能运营商、发电侧及电网侧等各价值流向方收益、环境效益与社会效益等维度，构建了储能调频系统的运行效益评估的指标及数学模型，包含财务净现值、收益率、投资回收期、节约化石能源以及气体与烟尘减排等可量化的评估指标模型。采用最小二乘法确定主、客观指标权重决策思想，最终提出了可全面客观反映储能不同准则层的经济性以及评判各准则层的运行效益综合评估模型，探索了储能调频经济可行性分析思路。以某省网已实现挂网运行的9MW/4.5MW·h储能联合300MW火电机组调频为例，评估了储能在电网调频应用中的综合运行效益情况以及投资盈亏点，可为储能在调频领域的应用提供投资决策参考。

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跨季节复合储热系统储/释热特性

王子逸, 徐玉杰, 周学志, 陈海生, 盛勇, 徐德厚, 令狐友强, 丁捷

2020 (6): 1837-1846. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0101

摘要 ( 642 )

HTML ( 14 )

PDF(2473KB) ( 282 )

太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性等特点，导致其在供给侧和需求侧存在时间、空间和强度上的不匹配特性和季节性，跨季节储热技术是解决上述问题的最有效方法之一。然而传统的跨季节储热系统存在热损失大、系统效率低等问题。为了解决上述问题，本文提出了由地埋管储热和水箱储热相耦合的新型复合储热系统，采用实验研究和数值计算的方法对该复合储热系统储释热特性和耦合储热体温度场变化规律开展研究。结果表明，该新型复合储热系统技术上是可行的，两种储热方式互为补充、互为协调，热量损失小，系统能效高，效率达67.29%，且耦合储热体温度场相互叠加，更有利于热量的高效存储与释放。此外，复合储热系统经过储热、保温、释热和恢复四个阶段后，耦合储热体温位水平升高，更有利于系统多年运行。本研究有助于拓展和完善地下跨季节储热系统能量传输和传热控制理论，为进一步拓展应用提供理论指导依据。

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基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术应用现状

王俊, 曹建军, 张利勇, 刘亚奇, 凌浩恕, 徐玉杰, 王亮, 周学志, 谢宁宁, 陈海生

2020 (6): 1847-1857. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0129

摘要 ( 832 )

HTML ( 22 )

PDF(2789KB) ( 674 )

分布式能源系统具有能源利用率高等优点，在国内外得到了快速的发展，但是仍存在设计容量偏大、运行效率降低、耦合可再生能源系统安全性差等问题。为了解决上述问题，蓄冷蓄热技术被应用于分布式能源系统，并得到广泛的应用，但是相关研究工作多为个例，缺少系统性整理和论述。本文从蓄冷蓄热材料发展现状出发，论述不同蓄冷蓄热材料的特点；然后总结分布式能源系统与蓄冷蓄热技术耦合应用现状，分析不同蓄冷蓄热技术的应用效果，确定基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术的发展趋势。结果表明，水、熔盐、耐火砖、冰、石蜡、水合盐是较为适宜的商业应用蓄冷蓄热材料。与分布式能源系统耦合的蓄冷蓄热技术主要为水蓄冷、冰蓄冷、水蓄热、熔盐蓄热、相变蓄热、热化学蓄热技术，其中水蓄冷、冰蓄冷、水蓄热和熔盐蓄热技术耦合应用较为成熟，相变蓄热耦合应用处于示范应用阶段，热化学蓄热耦合应用处于实验室研究阶段。蓄冷蓄热技术与可再生能源分布式系统的耦合应用是未来重要的发展方向。本文可为我国分布式能源系统高效应用提供参考和依据。

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某型集装箱储能电池模块的热设计研究及优化

杨凯杰, 裴后举, 朱信龙, 邹燚涛, 王均毅, 施　红

2020 (6): 1858-1863. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0194

摘要 ( 858 )

HTML ( 30 )

PDF(4704KB) ( 444 )

选择以某型集装箱储能系统电池单元模块为研究对象，基于CFD仿真技术对其热性能特性进行分析，获得了储能电池单元内部的气流组织特性及电池表面的温度分布。在此基础上，研究了导流板的尺寸和布置角度对气体流动和传热特性的影响。研究结果表明：随着导流板宽度的增加，电池散热面的最高温度和平均温度都呈现下降的趋势；随着导流板布置角度的增加，电池散热面的最高温度和平均温度也呈现下降的趋势。通过导流板的合理布置可以使得电池散热面的温度降低到60 ℃以下，符合一般电池的合理工作环境。该研究结果对集装箱储能系统的广泛应用提供了技术参考。

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某型集装箱储能电池组冷却风道设计及优化

邹燚涛, 裴后举, 施红, 朱信龙, 杨凯杰, 王均毅

2020 (6): 1864-1871. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0195

摘要 ( 838 )

HTML ( 22 )

PDF(10963KB) ( 569 )

本工作以某型集装箱储能系统为研究对象，针对集装箱内部左右两侧的储能电池组提出了“主风道+立管”形式的均匀送风方案；基于CFD技术对其进行全通道的流场特性分析，获得了各出风口的出风特性及均匀性数据；采取加设导流板、减小出风口面积的措施对冷却风道进行结构优化，最终获得了良好的出风均匀性。研究结果表明：在进风口与主风道之间的拐角处加设导流板、在各立管入口处加设导流板及每根立管上部的六个出风口下方加设导流板对流场的均匀性起到了决定性的作用，使得左侧冷却风道各出风口垂直方向面平均出风速度的离散系数由原来的0.837降到了0.074，右侧冷却风道各出口垂直方向面平均出风速度的离散系数由原来的0.867降到了0.059。

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集装箱储能系统降能耗技术

王志伟, 张子峰, 尹韶文, 孙嘉品, 尹雪芹, 曹虎

2020 (6): 1872-1877. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0001

摘要 ( 800 )

HTML ( 26 )

PDF(4598KB) ( 543 )

锂离子电池集装箱储能系统在储能的过程中需消耗电能，因此降低集装箱储能系统能耗可有效提高电力效率。集装箱储能系统能耗主要分为空调系统能耗、PCS能耗、BMS能耗及其他能耗，其中空调系统与PCS总能耗占比达92%。本文对空调系统和PCS设备进行了降能耗方案分析，通过测试与理论计算的方法，最终得到：空调系统实测能耗降低约41.8%，集装箱系统能耗降低约33.0%；PCS设备通过将现有SI基IGBT模块更换为SIC IGBT模块，理论计算可降低PCS设备能耗约32.6%，约降低集装箱系统能耗7.1%。以上方案实现集装箱储能系统总能耗降低约40.1%。

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参与一次调频的双馈式可变速抽水蓄能机组运行控制

龚国仙, 吕静亮, 姜新建, 孙旭东

2020 (6): 1878-1884. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0178

摘要 ( 603 )

HTML ( 10 )

PDF(1611KB) ( 348 )

针对以转速为控制目标的双馈式可变速抽水蓄能机组参与电网一次调频问题，提出一种双馈式可变速抽水蓄能机组与水泵水轮机协联控制的一次调频控制策略。建立水泵水轮机与双馈感应电机的数学模型，分析双馈感应电机根据水泵水轮机效率特性曲线进行转速寻优的过程。分别在双馈感应电机的转速控制和水泵水轮机的导叶开度控制中加入频率控制器，将电网频率的偏差整定为转速和导叶开度的附加指令，并分析了频率控制器参数对双馈式可变速抽水蓄能机组调频效果的影响。仿真结果表明，在频率变化初期，通过双馈式可变速抽水蓄能机组调节转速，短时吸收或释放能量，可减小频率波动的幅值；在频率变化后期，通过水泵水轮机调节导叶开度改变机械力矩，调整输出功率，可减小频率的稳态偏差。

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空冷型质子交换膜燃料电池系统效率的实验研究

翟俊香, 何广利, 许壮, 刘聪敏

2020 (6): 1885-1889. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0277

摘要 ( 524 )

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PDF(1630KB) ( 223 )

以空冷型质子交换膜燃料电池系统为研究对象，通过实验测试，获得了全功率下的系统效率。实验结果显示：在燃料电池系统全功率范围内，系统效率随系统功率变化呈现抛物线形状。随着系统功率提高，系统效率快速上升，达到最高效率后缓慢降低，然后基本趋于平缓。系统在额定功率下的效率约为47%，系统最高效率约为56%，出现在系统50%额定功率点附近。本文设计了一个双堆结构空冷型燃料电池系统。基本设计理念是燃料电池系统含有两个电堆，而且双堆串联进气即将前一个电堆的阳极尾端氢气，经过气水分离器后引入后一个电堆。实验结果显示：在相同排氢频率条件下，与相同单电池数量的单堆系统相比，双堆结构燃料电池系统发电性能基本没有变化，在高功率区间发电性能略有提升；双堆结构燃料电池系统效率有明显增加，系统最高效率达60.23%。在低功率发电区间，系统效率大概增加了2%～4%；在高功率发电区间，系统效率大概增加了约5%。该双堆结构燃料电池系统具有良好的实际应用价值。

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用户侧电化学储能装置最优系统配置与充放电策略研究

曹锐鑫, 张　瑾, 朱嘉坤

2020 (6): 1890-1896. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0203

摘要 ( 561 )

HTML ( 22 )

PDF(1432KB) ( 280 )

基于两部制电价，分析了用电成本节约收益模式和储能各子系统的投资成本，针对变压器容量在315 kV·A以上的大工业用户建立了电化学储能系统经济模型。考虑了特定地区分时电价的季节性和逐时电负荷特征，提取不同典型日作为模型计算对象；选用安全性高、充放电效率高、循环寿命长的磷酸铁锂电池作为储能系统的充放电介质，以储能装置经济性最优为目标，设定模型参数约束条件，同时考虑地区补贴政策，通过采用遗传算法对系统配置(系统额定容量及额定充放电功率)及充放电策略进行双层优化计算。借助于模型以苏州某大工业用户为案例进行储能系统计算，分别得到削峰填谷、削峰填谷+需量调节两种模式下的储能装置最优系统配置、最优系统充放电策略及系统回收期。本文为用户侧电化学储能系统配置、充放电策略、系统回收期计算提供科学的方法；通过对比两种收益模式下的储能系统配置及回收期，得出考虑需量调节收益将有效降低系统回收期，为储能技术的大规模商业化推广提供有利条件。

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西北电网储能独立参与电网调峰的模拟分析

薛　晨, 任　景, 张小东, 王　鹏, 孟鑫羽, 杨　迎

2020 (6): 1897-1904. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0088

摘要 ( 488 )

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PDF(1581KB) ( 282 )

为了促进电储能积极参与电网调峰，在调峰辅助服务市场向电储能放开的背景下，梳理了储能独立参与电网调峰的交易模式，模拟分析了储能独立参与调峰市场情景下的调度运行情况和市场收益情况。以从电网吸收的电量越多，储能的报价越高为原则，制定了储能参与调峰市场的分段报价策略，结合储能充放电行为预测，构建了储能参与调峰市场的申报模型。根据次日电网调峰需求，结合储能、火电调峰报价信息，构建了调峰市场竞价出清模型，使电力调度机构能够以系统调峰成本最小为目标调用调峰资源。实际调度运行中，考虑储能的实时充放电状态和电能量价格，构建了储能实时优化调度模型，以市场获利最大为目标优化放电行为。以配合风电、光伏电站运行的储能电站为例，基于西北某电网的实际运行数据，采用上述模型进行了算例分析，模拟结果表明，储能参与调峰市场能够减少电网调峰成本，并能通过调峰补偿和电能市场收益提高自身获利，为促进储能独立参与调峰辅助服务市场提供了一定的理论依据。

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基于多模式协调的飞轮储能系统故障穿越控制方法

李汶灿, 吕静亮, 姜新建, 张信真

2020 (6): 1905-1916. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0104

摘要 ( 589 )

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PDF(7716KB) ( 241 )

飞轮储能是一种具有高动态响应性能的储能形式。在分析电网低电压和高电压故障下飞轮储能并网系统特性的基础上，文章提出适用于该系统的故障穿越控制策略。所提出的控制策略同时适用于电网对称故障和不对称故障，通过多模式协调控制网侧变流器和机侧变流器，可保障电网电压跌落和电网电压骤升期间飞轮储能并网系统能够持续不脱网工作，进而满足故障期间飞轮储能系统向电网提供一定无功功率支撑的故障穿越运行要求。本文通过理论模型的仿真，验证了所提故障控制算法的有效性，并对飞轮储能并网系统的故障穿越能力进行了评估。

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内燃机增压-压缩空气储能冷热电联产系统

杨珍帅, 王焕然, 李瑞雄, 陈昊, 张严, 李智搏, 姚尔人

2020 (6): 1917-1925. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0150

摘要 ( 596 )

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PDF(3591KB) ( 268 )

为解决可再生能源发电系统中存在能源输出的间歇性和波动性问题，基于热力学定律和能量梯级利用的原则，提出了一种内燃机增压-压缩空气储能冷热电联产系统，建立了系统的热力学模型并对系统进行了热力学分析，重点研究了系统中压气机等熵效率及出气压力、透平膨胀机等熵效率及进气压力、换热器效能和内燃机的进气压力对系统性能的影响规律。研究结果表明：在设计工况下，系统的能量效率为86.08%，?效率为59.45%，相对节能率为43.50%；透平膨胀机进气压力对系统的能量效率影响较小，有效改善发电过程中的变工况问题；提高系统中换热器效能和内燃机进气压力可以提高系统的能量效率、?效率和相对节能率。该结果可为系统的工程应用提供理论依据。

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锂离子电池安全预警方法综述

赖铱麟, 杨　凯, 刘　皓, 章姝俊, 张明杰, 范茂松

2020 (6): 1926-1932. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0158

摘要 ( 1144 )

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锂离子电池自问世以来，凭借其能量密度高、循环寿命长等优点，已经被广泛应用于人们生活的各个方面。然而锂离子电池本身有着不可忽视的安全问题，锂离子电池因热失控引发的火灾、爆炸等事故造成了不可避免的财产损失和人员伤亡，锂离子电池的安全问题也越来越受到人们关注。本文结合了热失控的相关知识，分析了电池出现热失控时出现的温度、内阻、电压、电池内部压力及生成的气体等特征参数，从这些特征参数着手对现有的锂离子电池热失控进行安全预警方法进行了总结并对未来的电池预警发展趋势做了分析与展望。

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基于BMS的锂离子电池建模方法综述

梁新成, 张　勉, 黄国钧

2020 (6): 1933-1939. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0166

摘要 ( 1390 )

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电池管理系统(battery management system, BMS)是电动车辆的技术核心，而精确的电池模型是实现BMS的关键。电池模型的精度与材料、环境温度、工作模式、老化程度等密切相关，而在建模时完整地包含上述因素是非常困难的。本文在简单介绍BMS功能和结构的基础上，通过对近几年锂离子电池建模文献的整理，着重介绍了电学特性模型、热模型及电-热耦合模型的建模方法。由于电-热模型综合了其他两种方法的优点，模型相对简单且在实际中使用较多。在此基础上阐述了三种模型在电池内部状态如电池荷电状态(state of charge, SOC)、电池健康状态(state of health, SOH)、温度等参数估计中的应用。特别是SOH的状态估计，除受电流、温度、SOC等因素影响外，还与机械振动及过电势等密切相关。考虑到状态估计变量之间的相互耦合如电池的SOC、内部温度等，故需进一步提高耦合参数的估计精度以确保BMS工作的可靠性。在未来，还需要继续对模型进行降阶，以实现BMS工作的实时性。

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基于BP-PSO算法的锂电池低温充电策略优化

王泰华, 张书杰, 陈金干

2020 (6): 1940-1947. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0172

摘要 ( 594 )

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PDF(1634KB) ( 509 )

为了提高低温下锂离子电池的充电性能，降低其低温充电老化速率和充电时间，从而促进新能源汽车在低温地区的推广，进行了一系列锂离子电池低温充放电循环老化试验，基于大量低温充放电试验数据，分析了低温环境下不同充电条件对锂离子电池老化速率的影响。建立了用于锂离子电池低温充电老化速率估计的BP神经网络模型。在此基础上引入粒子群优化算法对传统CC-CV充电策略进行优化，将整个充电过程分为两个阶段，第一阶段，在达到充电截至电压前，采用粒子群优化算法寻找近似最优充电曲线，第二阶段采用常规的恒压充电。以低温容量衰退速率估计模型为基础，将低温充电老化速率和充电时间加权求和得到的多目标优化方程作为粒子群优化算法的适应度函数，在适应度函数中引入权值系数“g”来权衡两个优化目标的数量级，用粒子群优化算法进行迭代优化。测试结果表明所建立的低温充电老化模型对锂电池低温充电容量衰退速率具有较高的估计精度，优化后的充电策略能有效减小锂电池低温充电老化速率和充电时间。

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基于分布估计算法LSSVM的锂电池SOC预测

成文晶, 潘庭龙

2020 (6): 1948-1953. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0165

摘要 ( 511 )

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PDF(1188KB) ( 290 )

基于最小二乘支持向量机（LSSVM）的锂电池荷电状态（SOC）预测模型收敛速度快且得到的是全局最优解，具有较强的预测能力，然而最小二乘支持向量机的参数选择会对预测结果产生较大的影响，因此提出了基于分布估计算法（EDA）最小二乘支持向量机的锂电池SOC预测方法。以锂电池工作电压、电流以及温度为输入量，电池SOC为输出量使用LSSVM建立非线性系统模型，并利用分布估计算法对模型正则化参数 $λ$ 和径向基核宽度 $μ$ 进行优化，从而得到最优模型。仿真结果表明，与常规的锂电池SOC预测模型相比，本文提出的EDA-LSSVM方法具有较高的SOC预测精度。

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基于改进粒子滤波的锂电池SOH预测

徐超, 李立伟, 杨玉新, 王凯

2020 (6): 1954-1960. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0159

摘要 ( 931 )

HTML ( 32 )

PDF(1068KB) ( 565 )

随着锂离子电池在电动汽车和微电网越来越广泛地使用，人们在保证电池管理系统(BMS)安全可靠运行和降低维护成本方面做了许多研究，电池健康状态(SOH)估计作为锂离子电池管理系统的关键功能之一，准确估计电池当前健康状态对电池管理系统有重要意义。为了提高估计准确性，首先在分析传统布谷鸟搜索优化算法的基础上，提出了一种动态布谷鸟搜索算法，该算法通过改进步长和发现概率，并将函数值变化趋势引入到步长更新方程，平衡了搜索速度和精度之间的关系。为解决传统粒子滤波自身存在的粒子退化问题，通过将粒子用布谷鸟鸟窝表示，对布谷鸟群体搜索的模拟来指导更新粒子的分布，利用改进的动态布谷鸟搜索来优化粒子滤波算法。然后从锂离子电池工作时的可测参数中提取健康指标HI，建立了HI指标与SOH之间的映射模型，并将其应用于状态空间模型的观测，提出了一种基于改进粒子滤波算法的电池SOH估计方法。实验结果表明，该方法优于传统粒子滤波算法(PF)，对锂离子电池退化过程预测具有良好的适应性和精确性。

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三元锂离子电池多目标热优化

丁昌明, 文　华

2020 (6): 1961-1968. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0154

摘要 ( 544 )

HTML ( 14 )

PDF(4919KB) ( 277 )

锂离子电池的产热对其安全性和寿命有很重要的影响。本文基于COMSOL Multiphysics平台，针对51 A·h三元软包层叠式锂离子电池，提出了其与电极对耦合的三维电化学-热耦合有限元分析模型，结合响应面法研究正极厚度、极板宽度、正极极耳厚度、正极极耳宽度、负极极耳厚度、负极极耳宽度6个设计参数对温度场的影响，通过线性加权组合法和随机梯度下降法，求得降低电池平均温升和最大温差的最优方案。结果表明，正极厚度对温度场影响较大，与温升正相关，但是厚度小到一定程度后影响减弱。极板宽度与极耳尺寸的增加能降低放电末期电池的温升；其数值在一定范围内时，电池的最大温差达到最小值。这套优化方案误差小于2.68%，平均温升降低2.93 ℃，最大温差降低0.596 ℃，有助于提高电池的安全性和寿命，为其他电池的多目标热优化提供了参考。

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基于LSTM-DaNN的动力电池SOC估算方法

王一全, 黄碧雄, 严晓, 刘新田, 王影, 刘双宇, 徐华源

2020 (6): 1969-1975. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0200

摘要 ( 767 )

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PDF(2057KB) ( 490 )

针对动力电池荷电状态（state of charge， SOC）的估算问题，利用长短期记忆（LSTM）循环神经网络建立SOC估算模型，以实验室恒流放电数据训练模型并测试，测试最大绝对误差为2.7%。进一步以FSEC赛车电池实测数据验证，最大测试误差为3.9%。但在工程应用时，考虑到实际运行过程中的环境复杂性以及不同驾驶习惯对动力电池造成的不一致性，需要根据车辆实际行驶工况数据对其进行训练与测试，但是由于该数据中的SOC直接由BMS报文解析而来，无法确定BMS内的SOC算法是否准确，故不能直接用作训练模型时的标签，此时需计算出正确的训练标签或借助已有标签的模型，在其基础上根据实际运行数据对其模型参数进行动态调整。为解决无标签数据的训练问题，本文采取第二种方法，首次提出将迁移学习中的领域自适应网络（DaNN）与LSTM组合形成LSTM-DaNN的SOC估算算法，利用有标签数据预先训练好LSTM模型，再将其模型参数迁移至LSTM-DaNN，最后综合有标签与无标签数据一起对LSTM-DaNN模型进行训练。测试结果表明LSTM-DaNN可以在没有实际行驶工况标签（SOC）的情况下完成训练，最大测试误差为4.8%，相比模型自适应调整前误差下降了14.1%，且保证绝对误差<5%，满足实际需求。

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锂电池满充容量的自适应估计方法

张江安, 杨洪柏, 周左晗

2020 (6): 1976-1981. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0189

摘要 ( 600 )

HTML ( 16 )

PDF(1270KB) ( 425 )

针对现有锂电池管理系统中基于库仑积分的满充容量估计方法所存在的更新慢、精度低的问题，提出了一种利用锂电池最大化学容量的满充容量估计方法。首先，在充电过程中根据锂电池的等效电阻电容模型和电流采样序列估计电池充电时间常数；然后根据充电时间常数和充电截止电流，计算从截止电流开始以恒压方式充电直至无限时间的虚拟电量。另一方面，根据锂电池选定的两个静置状态的放电深度以及这两个状态间的充电电量，计算锂电池最大化学容量。最后根据满充容量、最大化学容量与虚拟电量三者之间的近似关系，计算电池满充容量。实验结果表明，不同温度和健康状态下满充容量的估计误差小于3%。这说明提出的满充容量估计方法具有较高的精度和较强的自适应性，可满足实际的锂电池管理系统的需要。另一方面，该方法具有计算简便、易于实现的优点，在各种锂电池管理系统中有着广泛的应用前景。本研究挖掘并利用了满充容量与最大化学容量之间的内在联系，为锂电池状态参数估计提供了新的途径。

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基于载波移相调制的模块化多电平电池储能系统直流侧建模

田凯, 陈堃, 陈满, 凌志斌

2020 (6): 1982-1990. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0103

摘要 ( 489 )

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PDF(2375KB) ( 229 )

载波移相调制是模块化多电平电池储能系统中广泛应用的一种调制方式。本文针对载波移相调制和电池储能系统的直流侧进行了理论研究，提出了N+1调制和2N+1调制两种不同的载波移相调制方式的数学模型，发现载波周期内相开通模块数及其持续时间仅与调制比和桥臂模块数相关。基于此建立了模块化多电平电池储能系统直流侧的等效模型，发现系统直流侧可以用两个电压源和一个开关等效，其参数仅与调制比和桥臂模块数相关。在该模型的基础上，提出了一种桥臂电感取值的方法，可以在系统稳定状态下满足对直流电流纹波的设计要求。最后通过仿真验证了数学模型的准确性以及电感取值方法的有效性。

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耦合温度的锂离子电池机理建模及仿真试验

李旭昊, 周　宇, 王冰川

2020 (6): 1991-1999. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0198

摘要 ( 659 )

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PDF(1843KB) ( 646 )

锂离子电池机理模型精度高，可以揭示试验所无法描述的电池内部信息，对电池的老化研究、故障诊断和电池管理系统的设计具有重要意义。为解决模型计算复杂、易受温度影响的问题，提出一种耦合温度的建模方法。本文提出的模型以单粒子模型为基础：首先采用二参数抛物线法简化固相扩散方程，采用抛物线轮廓-有限差分结合法简化液相扩散方程，化偏微分方程为常微分方程；而后建立包含固、液相欧姆定律与固体电解质（SEI）膜极化作用的端电压表达式；针对恒流与复杂工况，采用集总模型法或中心差分法计算热模型中电池的平均温度；热模型与机理模型计算出的产热量相关，机理模型中的电化学参数受热模型得到的温度影响，热模型与机理模型耦合。结果表明：在恒流工况，耦合温度的简化模型比单粒子模型的温度值更准确，比不考虑温度的简化模型的电压值更准确；在高倍率复杂工况下，模型精度良好。在1C、2C、4C恒流放电工况下，电池端电压、温度的均方根误差不超过0.041、0.66；在城市道路循环工况下，电池的端电压、温度的绝对百分比误差不超过1%和0.15%。

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《储能科学与技术》2020年第9卷主要栏目分类索引（括号中数字依次表示年-期-起始页）

新储能体系

2020 (6): 2000-2002. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.

摘要 ( 263 )

HTML ( 6 )

PDF(486KB) ( 117 )

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