储能科学与技术

储能钠硫电池的工程化研究进展与展望

胡英瑛, 吴相伟, 温兆银

2021 (3): 781-799. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0139

摘要 ( 701 )

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钠硫电池作为一种重要的储能技术，已在全球储能市场拥有GW·h级的装机容量，然而其安全问题一直倍受关注，成为制约其产业大规模发展的一大要素。本文首先介绍储能钠硫电池的结构、工作原理及其工程化发展现状，再针对高温钠硫电池应用中存在的安全隐患问题，从电池的电芯层面到模组层面，提出提高钠硫电池安全性能的解决策略。着重综述了基于固体电解质增韧、降低固体电解质局部电流密度、增强封接材料的热机械稳定性、电芯外壳防腐蚀、电池保温箱热管理与火源阻隔等安全策略的材料和结构设计方面的研发进展，最后对高安全性钠硫电池未来在低温化和液流化的研发方向作出设想和展望。

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锂离子电池补锂技术

田孟羽, 詹元杰, 闫勇, 黄学杰

2021 (3): 800-812. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0066

摘要 ( 1646 )

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锂离子电池在化成过程中，负极SEI膜的形成会消耗大量活性锂，特别是在添加部分高容量硅基负极材料的情况下，导致电池首周库仑效率和电池容量低。补充活性锂是解决这一问题的有效手段，目前已报道的补充活性锂的途径很多，主要是负极补锂和正极极补锂两大类。负极补锂包括金属锂物理混合锂化，如在负极中添加金属锂粉或在极片表面辊压金属锂箔；化学锂化，使用丁基锂等锂化剂对负极进行化学预嵌锂；自放电锂化，负极与金属锂在电解液中接触完成自放电锂化；电化学预锂化，在电池中引入金属锂作为第三极，负极与金属锂第三极组成对电极充放电完成预锂化。正极补锂是向锂离子电池的正极中添加具有高不可逆容量的含锂化合物，根据化合物的种类不同，可以分为以Li₂O、Li₂O₂、Li₂S为代表的二元含锂化合物，以Li₆CoO₄、Li₅FeO₄为代表的三元含锂化合物和以Li₂DHBN、Li₂C₂O₄为代表的有机含锂化合物。补锂技术的应用不仅提高了锂离子电池的容量，还可以提升含硅负极电池的循环寿命。本文总结了补锂技术的发展状况和本课题组在补锂技术方面的一些工作，并展望了补锂技术在锂离子电池中的应用前景。

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合金电极失效机制：体积膨胀？电解液分解？

周琳, 杨佯, 胡勇胜

2021 (3): 813-820. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0129

摘要 ( 474 )

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合金类材料具有较高的比容量和合适的嵌锂(钠)电位，是一类极具潜力的锂(钠)离子电池负极材料。相比于对合金材料的形貌和结构的控制，微米合金材料更具有成本优势。本文综述了用电解液稳定微米合金材料的研究进展，并揭示体积效应与微米合金电极稳定性的关系：在传统电解液体系中，体积膨胀导致合金电极持续暴露新鲜的界面，加剧了电解液的分解，但体积效应只是表观现象，不是导致合金材料失效的根本原因。电解液持续分解，在粉化的合金材料表面形成电子绝缘的SEI膜，从而导致合金材料电接触缺失才是失效的根本原因。同时，本文也对比了合金电极在储锂和储钠方面的不同：钠离子具有更低的去溶剂化能，使其在合金电极界面处更容易完成去溶剂化过程，此外钠离子与合金电极发生合金化反应的绝对电位更高。这两大优势可以提高电解液的稳定性(减轻电解液的还原分解)，因此基于微米合金电极储钠，电解液的选择范围更广。同时本文也展望了用电解液稳定微米合金电极的发展方向，即提高醚类溶剂的耐压窗口，发展基于微米合金电极的高压锂(钠)离子全电池。

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含硅负极在硫化物全固态电池中的应用

闫汶琳, 吴凡, 李泓, 陈立泉

2021 (3): 821-835. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0057

摘要 ( 2142 )

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硫化物固态电解质具有超高离子电导率和优良力学性能，是实现全固态电池最有希望的技术路线之一。为进一步提高硫化物全固态电池的能量密度，促进其应用，理论比容量接近石墨10倍(3759 mA·h/g)的硅负极材料具有极佳的应用前景。并且Si负极和硫化物固态电解质结合，可规避Si负极在液态电池中重复生成固态电解质界面层(SEI)的问题，充分发挥Si负极的高容量，同时利用硫化物较好的力学性能缓冲硅负极巨大的体积膨胀，改善固固接触，促进离子扩散，有望实现高能量密度电池的长效循环。虽然含Si负极硫化物全固态电池极具实用前景，但是目前研究尚处于起步阶段，缺少成熟有效的表征手段和对基础科学问题的深入理解，全电池性能较差、容量衰减过快、比能量还有很大提升空间。为加速推进含Si负极硫化物全固态电池的研究进程，本文总结了近年来该领域的相关工作，分类论述了3种类型的含Si负极硫化物全固态电池(粉饼电池、湿法涂覆电池、薄膜电池)，综合分析了影响其性能的关键因素，并阐明通过减小Si的颗粒尺寸、外加应力、设置合适的截止电压、调控硫化物电解质的杨氏模量等手段可以有效优化含Si负极硫化物全固态电池的性能。最后，本文分析了目前该领域面临的问题和挑战，指出未来发展趋势。

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全固态锂电池的电极制备与组装方法

崔言明, 张秩华, 黄园桥, 林久, 姚霞银, 许晓雄

2021 (3): 836-847. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0090

摘要 ( 2162 )

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全固态锂电池由于具有安全性高、循环寿命长、能量密度高等特点，在化学电源领域具有非常好的应用前景。因全固态锂电池是一种使用固体电极材料和固体电解质材料，不含任何液体的锂电池，所以全固态锂电池的电极制备以及组装与现有液态锂电池的方法存在较大差异。本文详细综述了典型的几类全固态锂电池的电极制备与组装方法及相应的性能特征，分别针对氧化物、硫化物以及聚合物固体电解质体系，归纳分析其结构、正极制备方法、负极修饰方法以及电池组装方式，并在最后对全固态锂电池的实验室开发组装方式给出了建议，为全固态电池研究的同行们提供借鉴和参考。

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固态锂硫电池电解质及其界面问题研究进展

朱鑫鑫, 蒋伟, 万正威, 赵澍, 李泽珩, 王利光, 倪文斌, 凌敏, 梁成都

2021 (3): 848-862. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0164

摘要 ( 676 )

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固态锂硫(Li-S)电池通过固态电解质代替传统液态电解液体系，有望同时解决液态Li-S电池多硫化物的穿梭效应、锂金属与液态电解液的副反应、安全性能差等关键科学问题，发挥其高稳定性、高能量密度的优势。然而，固态Li-S电池在固态电解质和电极/电解质界面问题上面临着巨大挑战，本文详细介绍了硫化物固态电解质和聚合物基体电解质在Li-S电池中的研究进展，并重点分析了电极/电解质固-固界面接触问题。针对硫化物固态电解质存在的本征缺陷，阐述了改善固态电解质化学及电化学稳定性的方法；针对有机聚合物电解质，总结分析了影响其离子电导率的关键因素及提升方法。在电极/电解质界面问题方面，揭露了影响界面离子传输及界面稳定性的本征特性，并总结了近年来报道的针对正(负)极/电解质界面离子传输低的改进方法。最后指出要有针对性的解决不同种类电解质的本征缺陷，并结合科学模拟深入研究界面传输机制，在实践中对电极/电解质界面结构的合理设计，对固态Li-S电池的实用化具有重要意义。

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石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂固态锂金属电池的界面问题研究进展

张赛赛, 赵海雷

2021 (3): 863-871. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0085

摘要 ( 664 )

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固态锂金属电池具有高能量密度、高安全性、宽工作温度范围、长服役寿命等优势，是下一代锂电池体系的重要发展方向之一。作为典型的氧化物固态电解质，Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）具有锂离子电导率高、电化学窗口较宽、机械强度高和热稳定性好等优点，因此LLZO固态锂金属电池受到业界的广泛关注。但是，LLZO固态锂金属电池还存在锂枝晶穿透固态电解质生长造成电池短路、电解质/电极界面电阻过高等问题，影响其实际应用。这些问题与LLZO的显微结构特征、正极材料与LLZO的化学和电化学相容性、正极与电解质的界面结合性、金属锂负极对LLZO的浸润性等因素有关。本文总结了以上问题的解决策略。对于正极侧，通过活性颗粒表面包覆、三维固态电解质界面构筑、柔性聚合物或凝胶电解质中间层引入、正极活性颗粒与柔性或黏性离子传导材料复合等手段，可改善正极与LLZO的相容性，并降低正极界面电阻。对于负极界面，消除LLZO电解质表面碳酸锂、引入反应活性或柔性中间层、调控金属锂负极组成等方法，可改善锂对LLZO的浸润性，降低负极界面电阻。最后，本文对未来研究和发展方向给出了建议。

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聚阴离子型二次离子电池正极材料研究进展

闫琦, 兰元其, 姚文娇, 唐永炳

2021 (3): 872-886. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0133

摘要 ( 655 )

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二次离子电池作为诸多储能方式中的一种，具有循环性好、服役寿命长、安全性高、使用方便等优点，已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等领域。然而，随着锂、钴等资源的短缺以及可再生清洁能源的快速发展，亟需发展高效、低成本且环保的新型二次离子电池技术，但其发展受限于缺乏优异的正极材料。相比于其他二次离子电池正极材料，聚阴离子化合物具有种类丰富、结构多样、工作电压可调、循环稳定性好等优点，是发展低成本环保二次离子电池的理想正极材料。本文根据聚阴离子的种类，将其相应正极材料系统分为磷酸盐类、硫酸盐类、其他单一聚阴离子类和混合聚阴离子类，并以LiFePO₄、Na₃V₂(PO₄)₃、NaVPO₄F、Na₂Fe₂(SO₄)₃、KFeSO₄F、Li₂FeSiO₄等化合物为代表详细介绍了各类正极材料的晶体结构、电化学性能及储能机理。重点综述了各类聚阴离子型正极材料的研究进展，简要概述了对材料进行包覆、掺杂、纳米化等改性措施取得的研究成果。最后对聚阴离子型正极材料发展过程中的瓶颈(电子电导率低的问题)进行了论述，并提出了相应的解决策略。

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可拉伸全固态超级电容器的研究进展

王凯, 侯朝霞, 李思瑶, 屈晨滢, 王悦, 孔佑健

2021 (3): 887-895. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0054

摘要 ( 462 )

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随着制造技术的飞速发展，便携式电子设备正朝着可拉伸化、轻质化、微型化及智能化方向发展，能够拉伸、弯曲、折叠的可拉伸电子设备应运而生。与普通的超级电容器不同，可拉伸全固态超级电容器具有更强的抗变形能力，因在穿戴以及医疗等领域的潜在应用而受到广泛关注。本文通过对近期相关文献的讨论，综述了可拉伸全固态超级电容器的研究与发展现状，简要介绍了全固态超级电容器，重点介绍了可拉伸凝胶电解质，包括水凝胶、有机凝胶和离子凝胶三个体系，同时还着重总结了可拉伸电极的研究现状，包括基于凝胶、基于弹性基底及基于结构设计的可拉伸电极，讨论了可拉伸全固态超级电容器在未来发展中面临的一些挑战及未来发展方向，指出了可拉伸全固态超级电容器的研究重点在于提高能量密度、实用性以及多功能性，以期望能够激发更多的创新研究以推动可拉伸超级电容器的发展与实际应用。

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固态锂电池研究及产业化进展

张鹏, 赖兴强, 沈俊荣, 张东海, 阎永恒, 张锐, 盛军, 代康伟

2021 (3): 896-904. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0408

摘要 ( 1309 )

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相比于传统液态锂离子电池，固态锂电池(SSLB)用固态电解质代替有机电解液，安全性和能量密度均大大提升，可以有效降低电动汽车安全隐患和缓解用户续航里程焦虑。固态电解质作为电子绝缘体和离子导体是SSLB核心要素之一，同时其存在离子电导率低、界面阻抗大和界面稳定性差等问题。通过研究近期相关文献，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锂电池的离子导电机理、研究进展、存在的主要问题及解决方案进行了综述和讨论。对于提高离子电导率，重点介绍了调整固态电解质组分的方法。对于改善界面问题，主要介绍了界面设计和制成工艺方法改善思路。综合分析表明，通过掺杂和包覆改性固态电解质、探索先进界面研究和诊断技术并指导设计具有优良锂离子传输能力的界面、创新和优化工艺能有效地提升固态电解质综合性能。最后列举了国内外重点企业的固态锂电池产业化进程，对固态锂电池未来应用前景进行了分析和展望。

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溶剂热法合成三维花瓣状石榴石型固态电解质及其在固态聚合物电解质中的应用

翟艳芳, 杨冠明, 侯望墅, 姚建尧, 温兆银, 宋树丰, 胡宁

2021 (3): 905-913. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0058

摘要 ( 498 )

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石榴石型固态电解质由于具有离子电导率高、对金属锂稳定、成本低等一系列优点而被认为是最具应用前景的固态电解质材料体系之一，针对石榴石型电解质及其复合电解质的研究快速发展，然而，石榴石型电解质的合成方法研究较少，特别是具有特征微观形态的石榴石型电解质的研究鲜有报道。本工作首次报道了溶剂热法合成三维花瓣状石榴石型固态电解质(Li_6.25Al_0.25La₃Zr₂O₁₂，LLZO)，该合成方法主要涵盖两个步骤：第一步是镧-铝-锆甘油酸球的合成，第二步即是立方石榴石的成相。继而对比研究了三维花瓣状与纳米颗粒石榴石型电解质在聚氧化乙烯(PEO)固态聚合物电解质中的应用差异，结果表明，添加质量分数为10%的纳米颗粒LLZO的复合固态电解质的室温(25 ℃)离子电导率为1.45×10^-5 S/cm，与之对比，同样添加量的三维花瓣状LLZO的复合固态电解质的25 ℃离子电导率高达5.59×10^-5 S/cm，说明了该新奇的三维花瓣状石榴石型电解质的优越性，为其在固态锂电池中的应用打下基础。

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液体电解液改性石榴石型固体电解质与锂负极的界面

池上森, 姜益栋, 王庆荣, 叶子威, 余凯, 马骏, 靳俊, 王军, 王朝阳, 温兆银, 邓永红

2021 (3): 914-924. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0070

摘要 ( 665 )

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石榴石固体电解质型的固态锂金属电池因具有高能量密度、高安全性和长循环寿命等优点而受到了研究人员的重点关注，然而石榴石型电解质和锂负极之间存在巨大的界面阻抗，严重阻碍了电池的正常工作。针对该问题，本文主要在石榴石型固体电解质与锂负极之间的界面引入少量的电解液，减少石榴石型电解质与锂负极的界面阻抗，使得固态对称锂电池正常循环。进一步地采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学阻抗谱(EIS)研究了石榴石型电解质与锂负极之间界面层的形貌、成分、界面阻抗和循环稳定性。研究结果表明，液体电解液极大地降低了石榴型电解质与锂负极间的界面阻抗，在80 ℃情况下，石榴型电解质与锂负极循环前的面电阻为1.89 Ω·cm²，循环后的面电阻为3.24 Ω·cm²。

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Co_0.1Fe_0.9S₂@Li₇P₃S₁₁正极材料的制备及其在全固态锂电池中的性能

蒋苗, 万红利, 刘高瞻, 翁伟, 王超, 姚霞银

2021 (3): 925-930. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0027

摘要 ( 487 )

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全固态锂电池采用金属硫化物FeS₂作为正极材料能实现较高的可逆比容量，但是循环过程中较大的应力/应变和不良的固固接触引起的界面失效，严重影响了其在全固态锂电池中的电化学性能。本工作采用溶剂热法制备了Co掺杂FeS₂的纳米颗粒，随后在Co_0.1Fe_0.9S₂纳米颗粒表面原位沉积离子电导率较高的Li₇P₃S₁₁固体电解质，获得Co_0.1Fe_0.9S₂@Li₇P₃S₁₁纳米复合材料，并将其应用于全固态锂电池中，过渡金属Co的掺杂能提高FeS₂的电化学反应动力学性能，而Li₇P₃S₁₁固体电解质原位包覆能进一步改善固固接触，提高界面锂离子传输特性，继而提高全固态锂电池电化学性能。进一步通过透射电子显微镜(TEM)表征，证实了Li₇P₃S₁₁固体电解质包覆在Co_0.1Fe_0.9S₂纳米颗粒表面。电化学测试表明，Li₇P₃S₁₁固体电解质颗粒的包覆能有效提高以FeS2为活性物质的全固态锂电池的充放电比容量和循环稳定性。Co0.1Fe0.9S2@Li7P3S11复合材料在200 mA/g的电流密度下，首次放电比容量达到882.1 mA·h/g，循环100圈后放电比容量仍保持在670.9 mA·h/g。本研究有助于推动金属硫化物正极材料在全固态锂电池中的应用，从而为实现更高能量密度的全固态锂电池提供实验依据。

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三维NZSPO/PAN-［PEO-NaTFST］复合钠离子电池固体电解质

刘当玲, 王诗敏, 高智慧, 徐露富, 夏书标, 郭洪

2021 (3): 931-937. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0045

摘要 ( 630 )

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本工作采用静电纺丝技术，将快离子导体型无机微纳颗粒Na₃Zr₂Si₂PO₁₂(NZSPO)注入聚丙烯腈（PAN）纳米纤维内，合成了3D纤维网状增强型双连续复合固体电解质材料NZSPO/PAN-[PEO-NaTFST]。结果表明，当NZSPO∶PAN质量比为2∶1时，复合固体电解质室温离子电导率达3.38×10^-5 S/cm，电化学稳定窗口达到4.4 V。以Na₃V₂(PO₄)₃为正极，金属Na为负极，组装成全固态钠离子电池，表现出优异的循环稳定性。首次充放电可逆容量达到109.7 mA·h/g，在0.1 C下200次循环后容量保持为84.5 mA·h/g，容量保持77%，库仑效率接近100%。差示扫描量热分析(DSC)曲线证实了NZSPO-PAN复合纤维可在低温下抑制PEO聚合物的结晶，并加速离子传输动力学的过程。

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Na₃V₂（PO₄）₃@C用作水系锌离子电池正极材料的研究

衡永丽, 谷振一, 郭晋芝, 吴兴隆

2021 (3): 938-944. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0056

摘要 ( 695 )

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水系锌离子电池（AZIBs）是未来大型储能领域中具有吸引力的选择之一。但合适的用于锌离子存储的正极材料少之又少。本工作以NASICON结构的正极材料Na₃V₂（PO₄）₃（NVP）作为储锌正极材料，在高浓度的电解液中可以实现高效的Zn²⁺存储并展现出超长的循环性能。本研究采用简单的溶胶凝胶法制备出均匀碳包覆的NVP，并借助X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、恒流充放电等表征测试手段，分析NVP材料的结构、形貌和用作AZIBs正极时表现出的电化学性能。同时，本工作研究了不同浓度的电解液对电化学性能的影响。结果表明，电解液浓度提升后NVP材料可以展现出更高的容量存储、卓越的倍率性能和超长的循环寿命。在2000 mA/g的超高电流密度下循环1000圈之后，容量保持率仍为77.8%，并且在循环过程中材料的每圈库仑效率接近100%。此外，通过循环伏安法（CV）和恒电流间歇滴定法（GITT）进一步探索了NVP电极的动力学过程并得出，NVP材料出色的电化学性能的表现归因于其稳定和开放的NASICON框架和优异的动力学行为。

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氮掺杂无定形氧化钒纳米片阵列用于快充型准固态超级电容器

陈帅, 陈灵, 江浩

2021 (3): 945-951. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0018

摘要 ( 529 )

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开发高比容量和宽电压的负极材料是提升准固态非对称超级电容器能量密度的有效途径之一。本工作借助水热反应及其产物与氨气的相互作用，在碳纤维布表面构筑了氮掺杂无定形氧化钒纳米片阵列。与未掺杂的无定形氧化钒相比，氮掺杂后的电极材料在-0.9～0 V电势窗口下，比容量高达432.2 F/g；在电流密度为10 A/g时，比容量仍然保持203.3 F/g，且表现出优异的循环稳定性。进一步将该负极与MnO₂@CC正极和PVA-LiCl凝胶隔膜组装成准固态非对称超级电容器，在475 W/kg的功率密度下，能量密度高达50.5 W·h/kg。所制备电极材料优异的电化学性能主要归因于其独特的结构，具体为：无定形化可以使得氧化钒暴露更多表面反应活性位，而氮元素掺杂能大幅度地提高无定形氧化钒的本征电导率，从而减少了电化学过程中的极化，显著提升比电容量和反应动力学。

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基于氧化钨和普鲁士蓝的可变色超级电容器

毕志杰, 赵宁, 郭向欣

2021 (3): 952-957. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0106

摘要 ( 737 )

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氧化钨(WO₃)薄膜作为阴极电致变色材料，还原态(阳离子嵌入)时着色而氧化态(阳离子脱出)时褪色；而普鲁士蓝(Prussian blue，PB)薄膜作为阳极电致变色材料，还原态(阳离子嵌入)时褪色而氧化态(阳离子脱出)时着色。利用不同离子存储状态下WO₃和PB薄膜的变色互补性，构筑了基于WO₃和PB薄膜的可变色超级电容器。利用脉冲激光沉积法和电沉积法在透明导电玻璃表面制备了WO₃/PB复合薄膜，并以该复合薄膜为电极，构筑了对称型可变色超级电容器。结果表明，WO₃/PB复合薄膜具有优异的循环稳定性，循环200圈后，面电容量的保持率可达83.8%；在650 nm时，由于WO₃和PB薄膜在不同电压下的协同变色，超级电容器的光透过率差在完全着色与褪色时为53.2%。该超级电容器在不同充、放电状态下可清晰地显示不同的颜色组合及光对比度，从而实现利用颜色变化指示超级电容器的能量存储状态。本研究有助于推动电致变色和能量存储领域的交叉融合，为超级电容器能量存储状态的可视化提供实验依据。

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锂电池百篇论文点评（2021.2.1—2021.3.31）

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

2021 (3): 958-973. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0163

摘要 ( 658 )

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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2021年2月1日至2021年3月31日上线的锂电池研究论文，共有2566篇，选择其中100篇加以评论。本文对层状氧化物正极材料的研究集中在掺杂、包覆、前驱体及合成条件、循环中的结构变化，其中，高镍三元材料是讨论的重点。硅基负极材料方面关注体积膨胀及其带来的后续问题，相关研究内容包括对硅颗粒的包覆、复合硅基负极及其结构调控。金属锂、碳负极和氧化物负极等其他负极也有涉及，其中，对金属锂负极界面的研究和三维结构负极设计是重点。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-氧化物复合固体电解质的合成、掺杂以及相关性能研究。液态电解液方面主要为针对适应高电压三元层状氧化物正极和金属锂负极的电解液及添加剂研究，还有添加剂对正/负极界面层的调控作用和对石墨、硅负极的性能提升。对于固态电池，复合正极制备和设计、活性材料的表面修饰、锂金属/固态电解质界面等都是主要研究内容。其他电池技术偏重于基于催化、高离子/电子导电基体的复合锂硫正极构造以及“穿梭效应”的抑制。表征分析部分涵盖了金属锂沉积，石墨和硅负极的体积膨胀问题，正极的微结构、过渡金属元素溶解和产气以及固态电池中电解质分解、界面接触损失等问题。理论模拟工作涉及固态电池中界面接触损失、锂负极的沉积和剥离、电极界面稳定性。界面主要涉及固态和液态电池中SEI及其可视化表征。

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金属锂的钝化保护及应用

李伟辉, 钟兴国, 李会巧

2021 (3): 974-986. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0409

摘要 ( 761 )

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PDF(6887KB) ( 559 )

锂金属是高能量密度电池的研究重点之一，也是锂空、锂硫、全固态电池等新型电池中负极材料的重要候选者。然而锂金属本身具有高的活性，易与各种溶剂和空气中各类物质快速反应并可能引发起火、燃烧、爆炸等安全风险以及后续电化学性能的劣化。因此发展金属锂钝化技术提高其在空气中的稳定性具有重要的意义。本文首先简述了锂金属在空气中腐蚀与损耗的机理，提出金属锂与多种物质不可控的反应是造成应用安全问题的重要原因，接着从三个方面介绍了金属锂负极钝化技术的进展，包括：①利用ALD、MLD、磁控溅射以及真空镀膜和高分子涂膜等物理镀膜或涂层工艺实现物理保护；②通过表面原位化学反应对锂表面处理生成锂合金、无机化合物、固体电解质和有机化合物等保护层；③通过巧妙的整体结构设计来获得稳定的金属锂负极。并结合其工艺原理分别分析了各个方法优缺点。综述了金属锂负极钝化技术在预锂化、传统电解液体系锂基电池和全固态锂电池等能源存储领域中的应用。最后，针对三种方法的特点，从解决高昂成本和整体环境保护等问题的角度展望了金属锂负极钝化加工技术未来的可能发展方向。

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锂离子电池参比电极研究进展

高金辉, 陈韵竹, 杨洋, 孟繁慧, 徐宏, 王莉, 周江, 何向明

2021 (3): 987-994. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0419

摘要 ( 997 )

HTML ( 101 )

PDF(1819KB) ( 965 )

参比电极测试方法在锂离子电池研究中有着广泛的应用。本文总结了几种常规类型的参比电极的制作方法，包括T型Swagelok接头装配法、参比电极植入法、原位沉积法。还介绍了锂参比电极在锂离子电池研究中的应用：电极电位的监控，正、负极电化学阻抗谱的单独分析，极片和电解液之间界面反应的分析，电池快充边界的确定，电池失效分析等。最终认为金属锂参比电极在使用寿命、植入位置、植入的便利性和可操作性等方面仍有改进空间。

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锂离子电池过渡金属氧化物负极材料研究进展

尹坚, 董季玲, 丁皓, 李方

2021 (3): 995-1001. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0412

摘要 ( 1087 )

HTML ( 85 )

PDF(3244KB) ( 663 )

负极材料是锂离子电池中的重要组成部分。然而目前商用锂离子电池负极材料储能密度低，难以满足社会生产力发展需求，因此开发新型高容量锂离子电池负极材料显得迫在眉睫。在众多候选材料中，过渡金属氧化物负极材料因其普遍较大的理论容量及优异的储锂性能得到了人们的广泛关注，但电导率低、循环性能及倍率性能差等缺点也限制了其实际应用。为了提高过渡金属氧化物负极材料的电化学性能，研究者们做了大量研究并取得了一定进展。对此本文综述了近年来的相关成果，分别从材料改性(形貌尺寸调控、与其它性能良好的材料复合)及新型金属氧化物负极材料(二元金属氧化物)制备两方面对目前过渡金属氧化物负极材料的改性与优化进行了阐述，并讨论了影响材料储锂性能的关键因素。综合分析表明，材料纳米化有利于减缓材料粉化并延长循环寿命，与其他材料复合能达到协同效应以弥补自身缺陷，同时指出二元金属氧化物是当前过渡金属氧化物负极材料的研究热点。最后就过渡金属氧化物负极材料的发展前景进行了展望。

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普鲁士蓝类似物及其衍生物在钾离子电池中的应用

陈强, 李敏, 李敬发

2021 (3): 1002-1015. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0029

摘要 ( 772 )

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PDF(7547KB) ( 856 )

由于不可再生能源资源有限，可再生能源的使用受环境影响较大，开发新一代能量储存与转换系统势在必行。钾离子电池因其能量密度高、成本低廉等优势极有可能成为下一代大型商业化储能系统，普鲁士蓝类似物以其开放的三维框架结构、快速脱嵌钾离子能力等优势受到极大关注，以其为模板合成的衍生物被广泛研究。本文通过对相关文献的调研，详细介绍钾离子电池和普鲁士蓝类似物及其衍生物的结构，总结钾离子电池和普鲁士蓝类似物及其衍生物的优势，综述了普鲁士蓝类似物及其衍生物在钾离子电池中的应用现状，就正负极材料性能展开详细的介绍。对于正极材料，主要介绍铁基、锰基、其他种类及部分取代普鲁士蓝类似物以及相关改性策略，重点分析了不同种类材料的充放电机理；对于负极材料，着重介绍了普鲁士蓝衍生物及新颖的合成方法、碳材料改性策略，并就其与传统的碳负极材料的优势与劣势进行了简要总结。综合分析表明，通过探究合成方法、采取部分取代、引入低维结构等策略，有望增强普鲁士蓝类似物及其衍生物在钾离子电池中的未来应用。

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十水硫酸钠相变储能材料研究进展

喻彩梅, 章学来, 华维三

2021 (3): 1016-1024. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0007

摘要 ( 2100 )

HTML ( 70 )

PDF(3624KB) ( 950 )

十水硫酸钠(sodium sulfate decahydrate，SSD)具有适宜的相变温度(2.4 ℃)、较高的相变潜热值(大于200 J/g)、价格低廉、来源广和安全无毒等优点，是一种广受关注的无机水合盐相变材料。然而，在应用过程中存在过冷度大、相分离严重及泄漏等问题。本文综述了近年来解决上述问题的研究进展、共晶盐相变材料的制备及相关应用，并对后续的研究方向做了如下展望：在降低过冷度方面，采用硼砂、制备共晶盐或添加外场扰动的方式来改善过冷；在抑制相分离方面，采用高导热的多孔材料吸附相变材料，利用真空浸渍法制备定型相变材料的方法来改善或消除相分离现象；在共晶盐材料方面，可以绘制二元相图，寻找新型共晶相变材料进行研究，尤其是目前结合较少的有机相变材料；在应用方面，注重结合十水硫酸钠相变储能装置和系统进行研究并拓宽其应用范围。

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凝胶型锂离子电池的制作及电化学和安全性能

涂健, 徐雄文, 胡海波, 聂阳, 曾涛, 孙秋实, 成浩, 谢健, 赵新兵

2021 (3): 1025-1031. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0424

摘要 ( 702 )

HTML ( 86 )

PDF(6441KB) ( 609 )

采用原位聚合法制备了凝胶型软包锂离子电池，该电池包括钴酸锂正极、石墨负极、镀陶瓷聚乙烯隔膜，以及弥散于正负极和隔膜之间的凝胶电解质。电化学测试表明，凝胶型电池具有和液态电池可比的容量和循环稳定性。差示扫描量热(DSC)测试表明，相对于液态电解质，凝胶电解质与钴酸锂正极和石墨负极之间的热稳定性更好。热板和加速量热(ARC)试验表明，凝胶电池具有更好的安全性能。采用原位聚合法制作了超薄软包电池，该电池显示出较好的柔性，经折叠和剪切试验后该电池仍可正常工作。

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三水合乙酸钠复合相变材料的循环特性研究

王钦政, 李小波

2021 (3): 1032-1039. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0414

摘要 ( 542 )

HTML ( 31 )

PDF(2466KB) ( 370 )

三水合乙酸钠单位体积潜热约为同熔点下石蜡的2倍，但是具有严重的相分离和高过冷度，限制了其使用。本工作设计了一种使用半导体热电制冷片的循环测试装置，大幅缩短了循环实验周期，以用来研究三水合乙酸钠的循环特性。在过冷度稳定性探究中，通过添加十二水合磷酸氢二钠和纳米氧化铝为成核剂，以及羧甲基纤维素钠为增稠剂，进行了0～500次循环测试。实验结果表明该复合材料在高循环后仍然可以有效的自发成核，并保持相对稳定的过冷度。在潜热稳定性探究中，通过三水合乙酸钠相图分析发现无水乙酸钠在水中的低溶解度是使其相分离的主要原因。为了降低复合相变材料潜热损失，通过增大十二水磷酸氢二钠含量以适当降低无水乙酸钠与结合水比例。结果表明，在500次循环后复合相变材料平均过冷度约为5～8 ℃，相变潜热与初始时大致相等，能够保持稳定。本研究为三水合乙酸钠的应用提供了参考，同时半导体热电制冷片的循环测试装置也可以用于其他相变材料循环特性研究。

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相变储能材料及其冷链运输应用

林酿志, 李传常

2021 (3): 1040-1050. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0401

摘要 ( 891 )

HTML ( 65 )

PDF(2184KB) ( 1008 )

随着社会对冷链物流的需求日益增长，方便快捷的冷链运输得以迅速发展。作为冷链运输所需的核心技术，相变储冷技术因可以提高能源利用效率和提供冷链运输所需的稳定低温环境受到越来越多的关注，其实际应用的关键是相变储能材料。本文回顾了冷链物流行业的发展现状，介绍了应用于冷链运输的相变储能材料的分类及其优缺点，并总结了相变储能材料性能调控的方法与原理；同时，介绍了各类新型相变储冷剂在食品运输、疫苗运输等方面的应用；最后指出，制备高储冷容量、循环性能稳定的相变储冷材料并扩大其应用范围是今后的研究重点。

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基于热-电-磁场耦合的高温蓄热导体结构分析

田艳丰, 赵鑫鑫, 付启桐, 王哲, 赵旭章

2021 (3): 1051-1059. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0404

摘要 ( 373 )

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PDF(5958KB) ( 172 )

在对固体蓄热装置内部导体的检测中，发现高温情况下由于传热导体电磁受力的原因易诱发导体形变、自身短路、元件击穿等问题，严重影响蓄热安全。为研究电热元件在蓄热孔内的电磁分布及受力情况，本文侧重于800 ℃左右高压电热元件结构优化设计、电磁分析计算，确保在高电压下电磁场合理分布。对螺旋形、波浪形电热元件建立三维有限元计算模型，分析了两种模型磁密分布规律，优化设计了波形电热元件弯折结构，并分析了不同电压、不同波距对平角波形元件的磁密空间分布的影响。研究表明，两种结构中波形电热元件磁密分布更为合理；优化后的平角设计可有效降低元件内外侧击穿。此外，电压仅对电热元件磁密数值有影响，而大波距可有效减弱磁密分布。本文在证明提出电热元件模型可行性的同时，还对蓄热安全有良好指导价值。

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基于遗传算法的离心压缩机蜗壳参数化及多目标优化

李伟, 左志涛, 侯虎灿, 梁奇, 林志华, 陈海生

2021 (3): 1071-1079. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0413

摘要 ( 550 )

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PDF(4136KB) ( 372 )

排气蜗壳对离心压缩机的整体性能、工作范围有直接且不可忽视的影响。排气蜗壳由于其完全三维的、湍流的内部流动会引起蜗壳进口周向压力畸变，从而影响上游部件的流动稳定性。本工作针对先进压缩空气储能系统离心压缩机排气蜗壳进行多目标优化设计，提出了一种可变截面形状的参数化设计方法。以总压损失系数和静压恢复系数为优化目标变量，采用多个控制面和控制点的方式对离心压缩机蜗壳截面参数进行全周控制，结合最优拉丁超立方试验设计方法和全三维CFD数值方法生成样本空间，利用二代非支配排序遗传算法对Kriging近似模型进行多目标寻优，建立优化平台和优化方法。研究结果表明：优化后的截面形状能够减小通流截面旋涡中心的剪切应力，使排气蜗壳内部通流速度分布更加均匀；优化方案在设计工况下整级等熵效率提高了0.45%，压比提高了0.36%；与初始模型相比，优化后的排气蜗壳可以有效改善离心压缩机的整体性能。本研究有助于推动数值优化设计方法在离心压缩机排气蜗壳中的应用，为高性能、低总压损失离心压缩机的优化设计提供参考。

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两种变厚度空心储能飞轮的应力特性

兰晨, 李文艳

2021 (3): 1080-1087. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0420

摘要 ( 417 )

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PDF(4747KB) ( 173 )

为了分析变厚度空心储能飞轮的应力特性，建立两种变厚度空心飞轮模型，利用Ansys Workbench有限元软件分析两种飞轮模型的应力特性，通过增加两个转子模型的轮缘高度研究飞轮应力与飞轮变形量的变化规律。结果显示，两个飞轮模型的最大径向应力、最大环向应力和最大轴向应力都分别在轮缘高度为60、60、80 mm时达到稳定值，且在具有相同转动惯量的情况下模型一比模型二的各项最大应力值分别大65%、13.3%、430%，变形量小43.89%；模型一沿路径的各项应力稳定值比模型二对应应力稳定值分别大54.3%、44.4%、1420%。相同条件下，采用飞轮模型一能更好地减轻飞轮变形；采用飞轮模型二能更好地减小飞轮应力。研究结论可为采用长圆筒结构的储能飞轮设计提供参考。

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基于储能飞轮的油井发电机功率补偿与节能应用

祝保红, 李光军, 李树胜, 崔亚东

2021 (3): 1088-1094. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0331

摘要 ( 329 )

HTML ( 24 )

PDF(2629KB) ( 319 )

基于油田供电系统，研究了负载增减频繁和负荷冲击值较大情况下，发电机的功率响应不足问题。基于储能飞轮的技术特点，利用储能飞轮对绞车的功率需求进行功率补偿。本工作针对存在的问题做出目标优化设计，提出了绞车功率斜率分配调节方案，并搭建具体的实验平台进行验证。实验结果表明，投入飞轮可以使发电机的功率曲线得到较好地平滑，减少了机组功率投入约500 kW，提高了燃油效率和电源质量，同时兼顾回收利用下钻过程的势能，达到节能减排效果。

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超级电容储能的高性能集成三端口变换器设计及仿真模拟

王喜亮, 崔文峰, 童克锋, 陈雪龙, 乔志军, 阮殿波

2021 (3): 1095-1102. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0354

摘要 ( 394 )

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PDF(1692KB) ( 240 )

作为当今主要的电化学储能元件之一，超级电容因其功率密度高、工作条件限制少等优点具有广阔的发展前景。为了更好地发挥超级电容的优越特性、降低系统的成本，本工作提出一种适用于超级电容储能的集成三端口变换器。超级电容储能端口通过双向Cuk变换器与输入端口连接，既能满足超级电容宽电压工作特性带来的升降压要求，还能获得连续、纹波小的端口电流。另一方面，超级电容和输入端口均通过boost-半桥变换器与输出端口连接，并与双向Cuk变换器实现深度的元件复用，因此所需元件少、成本低。根据输入端口和输出端口之间的功率关系，所提出的集成三端口变换器共有四种不同的工作模态。在不同模态下，变换器的工作原理基本相似，仅端口电流的大小和方向将发生改变，具有良好的一致性。本文以输入端口同时向超级电容储能端口和输出端口传递能量的模态为例，详细分析了变换器的工作原理，并进一步推导出了三个端口之间的电压增益、元件的电压电流应力。最后，通过搭建仿真模型，验证了变换器工作在四种模态下的有效性。本研究有助于推动集成三端口变换器在超级电容储能系统中的应用，继而助力超级电容储能的进一步推广应用。

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沸石-液态水吸附储热系统的释热特性

令狐友强, 徐德厚, 岳秀艳, 周学志, 徐玉杰, 盛勇, 左志涛, 陈海生

2021 (3): 1103-1108. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0028

摘要 ( 757 )

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吸附储热是一种有着较高储热密度和较低热损失的储热方式。沸石-液态水吸附储热系统以沸石颗粒作为储热介质，具有系统简单、换热性能好和储热密度大等优点。利用Fluent建立了反应器二维轴对称对流换热模型，分析了进水流速、反应器高径比和颗粒粒径对系统释热过程出口水温的影响。研究表明，在计算条件下，该系统能够获得最大70 °C的温升幅度，且进口流速越小，温升幅度越大；高径比越大，温升幅度越大，当高径比≥1.5时，温升不再随高径比的增加而增大；此外，粒径越小，反应速率和温升幅度越大，也越有利于沸石与水的充分反应。本研究有助于完善固-液吸附过程释热特性，为沸石-液态水吸附储热系统的设计和应用提供理论指导。

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锂电池储能舱运行状态信息采集系统研究

谢建江, 高翔, 夏晨强, 郑益, 王浩

2021 (3): 1109-1116. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0010

摘要 ( 516 )

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PDF(3597KB) ( 324 )

锂电池储能舱是储能系统的核心部件，内部存放大量电池，一旦发生严重事故极易造成整个锂电池储能舱的烧毁，如无法获取事发时刻系统和电池堆的运行数据，将给事故分析带来困难。本文对锂电池储能舱可能发生的故障及异常情况进行了全面的研究和分析，提出了一种锂电池储能舱运行状态信息采集系统方案，该方案能实时记录运行时的状态信息，并在储能舱发生异常状况时快速启动录波，保存数据为储能系统事故分析提供技术支撑。

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基于模糊PID控制的家用燃料电池热电联供系统建模与仿真

张敬, 卢雁, 李圣, 谢光彩, 万忠民

2021 (3): 1117-1126. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0021

摘要 ( 581 )

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PDF(3195KB) ( 465 )

家用燃料电池热电联供技术，是燃料电池应用领域的一个具有广阔发展前景的研究方向。质子交换膜燃料电池在运行时消耗燃料中的化学能，同时除了将一部分化学能转化为电能外，其余部分的化学能则以热量的形式散失。如果对这部分热量不能进行合理有效地利用，那么将会导致系统的能源利用率降低，同时还会影响燃料电池的安全运行。因此在正常发电的前提下，为了对质子交换膜燃料电池在运行过程中产生的热量进行回收利用，本文提供了一种水冷型质子交换膜燃料电池热电联供方案。通过冷却液将电堆产生的热量带出，并在换热器中将吸热后的高温冷却液与常温自来水进行热量交换，同时使用水箱储存热水，实现热量回收利用。基于MATLAB/Simulink软件平台建立了燃料电池热电联供系统仿真模型，主要包括电堆模型、散热器模型、储热水箱模型等。同时设计了系统在不同工作模式下的控制策略和用于电堆温度控制的模糊PID控制器。结果表明，通过采用模糊PID控制器对系统进行控制仿真，系统可获得良好的动态响应和抗干扰性能。同时通过仿真得到系统在功率负载范围内最大热电联供效率约为83%，满足了家庭的日常供热和用电需求，提高了能源的利用率。

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电动汽车用锂离子电池SOC估算方法综述

付诗意, 吕桃林, 闵凡奇, 罗伟林, 罗承东, 吴磊, 解晶莹

2021 (3): 1127-1136. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0013

摘要 ( 1664 )

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综述了锂离子电池荷电状态(state of charge，SOC)估算方法的研究进展。作为电动汽车电池管理中的重要指标，SOC表征了电池在当前循环中剩余的电量。准确的SOC估算可有效地避免电池工作于过低电量等不良工况，保证电池始终运行在安全的状态中，从而有效提高电池使用的效率和延长使用寿命。介绍并比较了几种常用的SOC估算方法：安时积分法最为简单，但由于其是开环估算系统，无法对估计误差进行修正；开路电压法可以根据开路电压与SOC之间的对应关系实现查表式估算，然而由于需要长时间静置来获取稳定的电压值，不适用于在线估算；卡尔曼滤波族方法是前两种方法的结合，可依靠系统观测值的误差对状态估计值进行及时修正，搭配适合的电池模型可获得较高的估算精度且适用于在线估算；数据驱动的方法则需要长期性的历史数据进行数据库的建立。本文总结了每种SOC估算方法的优缺点以及改进的方案。基于以上分析，结合SOC估算算法在工程实际中应用的局限与面对的挑战，对锂离子电池SOC在线估算的发展做出了展望。

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基于RLS-DLUKF算法的锂电池SOC预测方法研究

朱磊, 刘子博, 李路路, 潘庭龙, 杨玮林

2021 (3): 1137-1144. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0400

摘要 ( 480 )

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本工作以钴酸电池为研究对象，针对锂电池在复杂工况下电流的剧烈变化导致荷电状态(SOC)无法有效预测的问题，建立了以精确参数为基础的双层无迹卡尔曼滤波算法(DLUKF)架构来更精准的估算SOC。首先，以脉冲功率特性实验数据获取二阶电路模型中电池开路电压与荷电状态的函数关系及特性曲线；其次，为增强模型辨识过程中的自适应学习能力并解决模型参数估计不准确的问题，应用递推最小二乘(RLS)算法在线准确地识别出模型中的未知变量；最后根据输入的变量信息，利用UKF算法相互嵌套形成的DLUKF算法实现对SOC的快速预测来解决单一的UKF算法在高阶非线性系统里估算不准确、精度低的问题。在UDDS工况和FUDS工况下对DLUKF算法和单一的UKF算法进行比较，通过对比分析两种算法估计出的SOC曲线、SOC误差曲线、端电压曲线及端电压误差曲线，表明DLUKF算法预测SOC的平均误差比UKF的低且预测精度更高。

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基于IACO-PF的锂电池SOC估算

单成鑫, 李立伟, 杨玉新

2021 (3): 1145-1152. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0421

摘要 ( 338 )

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本工作提出一种改进蚁群算法(IACO)优化粒子滤波(PF)来进行电池荷电状态(SOC)的估计，用来解决传统粒子滤波算法SOC估算时产生的粒子贫化问题。蚂蚁将替代粒子，在更新步骤前重新定位，通过提高粒子的多样性来解决粒子贫化问题；结合二阶Thevenin电池等效模型，得到算法所需的状态和观测方程，再根据脉冲放电试验进行参数辨识；采用IACO-PF算法和PF算法分别在脉冲放电和DST工况试验下进行SOC估算。试验结果表明，基于IACO-PF算法的锂电池SOC估算结果相比于传统PF算法更具有效性和准确性。

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基于电化学热耦合模型的富镍锂离子电池产热分析

李夔宁, 谢运成, 谢翌, 白庆华, 郑锦涛

2021 (3): 1153-1162. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0009

摘要 ( 604 )

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锂离子电池在工作过程中产生的热效应会影响其温度和电化学性能，并极大地影响电池的安全性和使用寿命。分析电池在放电过程的热特性变化规律及产热机制，评估电池内部不同性质的产热对温度变化的相互作用，对于电池热管理系统的设计起到至关重要的作用。因此，本工作以富镍三元锂离子电池为研究对象，建立了基于动态参数响应的电化学热耦合模型，在0 ℃和40 ℃环境温度下分别进行了0.3 C、1 C放电与温升实验验证，验证结果表明耦合模型具有较好的精确性和可靠性，能够准确地分析电池热特性。基于验证后的模型，研究了富镍锂离子电池在不同放电倍率、环境温度、换热环境下的温升特性，并进一步分析了电池内部生热机理及发热特性。结果表明：放电倍率的增大使得电池的总产热量迅速增大，同时加剧了电池内部的温度不均匀性，正负极熵热系数较大的差异性使得正极区域产热较大而负极产热较为平缓。研究结果能够为锂离子电池的热性能评估和电池组的热管理系统设计提供一定的指导意义。

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基于Bi-LSTM/Bi-GRU循环神经网络的锂电池SOC估计

朱元富, 贺文武, 李建兴, 李有财, 李培强

2021 (3): 1163-1176. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0051

摘要 ( 1352 )

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锂电池的荷电状态(state-of-charge， SOC)涉及的物理特性或电化学特性高度复杂，其值一般难以直接测量，基于深度神经网络等新方法的SOC估计近期为相关研究者所关注。为进一步提升SOC估计性能，有效捕获锂电池SOC的动态物理特性，缓解深度神经网络模型容易发生的梯度消失与梯度爆炸等问题，本文引入双向学习策略，基于双向长短期记忆循环神经网络(bidirectional long short-term memory， Bi-LSTM)以及双向门控循环单元网络(bidirectional gated recurrent unit， Bi-GRU)估计锂电池的SOC取值。双向循环神经网络SOC估计模型由输入层、隐藏层和输出层组成。输入层输入电池电压、电流与温度序列；隐藏层在正向LSTM/GRU 层的基础上增加反向LSTM/GRU 层，引入逆序信息，基于输入序列上下文所含信息整体上学习、表征电池特性序列与SOC序列之间的内在关联；输出层输出模型的估计值。所拟模型使用Python 语言结合TensorFlow 后端在Keras 框架中实现，并基于基准数据集在3种温度条件下结合多种工况进行性能分析。结果表明，双向学习策略能有效提升锂电池SOC的估计性能，较之单向学习模型具有更高的估计精度与鲁棒性。与构造电池等效模型等方法的思路不同，所拟方法基于数据驱动学习锂电池SOC的非线性特性，将易于观测的锂电池特性序列数据映射为待估计的SOC取值，为锂电池SOC估计提供了可能的新思路。

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磷酸铁锂电池火灾危险性

黎可, 穆居易, 金翼, 许佳佳, 刘鹏杰, 王青松, 李煌

2021 (3): 1177-1186. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0041

摘要 ( 1578 )

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由于稳定性好、可靠性高等优点，近年来磷酸铁锂电池在储能和变电系统中得到大量应用。为研究大容量磷酸铁锂电池的火灾危险性，通过自主设计的锂离子电池火灾测试平台，开展了228 A·h磷酸铁锂电池的热滥用测试，系统研究了该大型电池的燃烧过程及产热规律，对比分析了不同荷电状态(SOC)下目标电池的火灾特性。结果表明电池的燃烧行为可大致分为初次射流火、稳定燃烧、多次射流火以及火焰熄灭等阶段；燃烧行为会进一步加速电池温度的上升，而对于荷电状态较高的电池，内短路是造成其温度迅速跃升的关键因素；荷电状态较高的电池燃烧过程更加剧烈，具体表现为电池温度、热释放速率(HRR)、燃烧热将会更高，相应电池的燃烧时间也将更加短暂。此外，高温会造成电池电压的微量衰减，但是电池的安全泄压时间往往早于电压跳水时间。本研究结果旨在为锂离子电池系统在储能、变电等领域的安全设计及火灾防控技术提供理论和技术支撑。

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充放电过程液相锂离子浓度变化及机理

邵素霞, 朱振东, 彭文, 代娟, 吴浩

2021 (3): 1187-1195. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0001

摘要 ( 1146 )

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PDF(2918KB) ( 979 )

采用三电极电池实时监测不同倍率充放电过程中全电池、正极对锂、负极对锂以及浓差电池电压变化，得到不同倍率下充放电过程中正负极之间液相锂离子浓度变化规律，与此同时还研究了不同层数隔膜三电极电池正负极之间液相锂离子浓度的变化趋势。本工作通过恒电流间歇滴定法(GITT)测试了三电极电池中正极Li(Ni_0.65Co_0.2Mn_0.15)O₂(NCM65)电极表观化学扩散系数和负极石墨电极表观化学扩散系数。结果表明，充放电过程中正负极之间液相锂离子浓度变化与负极对锂电位有关，且充电过程正负极之间液相锂离子浓度大于放电过程正负极之间液相锂离子浓度。充电过程中，倍率越大，正负极之间液相锂离子浓度越大，放电过程则相反。通过增加正负极之间隔膜层数以此增加扩散路径，隔膜层数增加正负极之间液相锂离子浓度有所降低，总体锂离子浓度变化趋势保持不变，但靠近正负极侧液相锂离子浓度有一定差异。GITT测试正极NCM65电极表观化学扩散系数(3.57×10^-9～5.63×10^-8cm²/s)大于负极石墨电极表观化学扩散系数(1.16×10^-10～8.21×10^-8cm²/s)，且负极石墨表观化学扩散系数的变化趋势也与负极对锂电位有关，因此得出正极脱嵌锂速度大于负极，液相锂离子浓度变化受负极扩散的影响。

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基于文献计量学的锂二次电池研究知识图谱分析

陈丽萍, 冯金奎, 田园, 安永灵, 董广俊

2021 (3): 1196-1205. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0425

摘要 ( 433 )

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基于Web of Science核心数据库对锂二次电池相关文献进行Cite Space可视化图谱分析。得到锂二次电池研究可分为3个阶段：起步阶段、平稳增长阶段和快速增长阶段。研究的主要力量主要集中在日本、美国、中国、法国和韩国，越来越多的国家参与到研究中来，国家之间合作日益密切。以合成具有高能量密度高安全性能的电池材料为目的，探寻新型电极材料以及利用新型技术进行对锂二次电池进行结构和性能优化是研究的热点。最后总结指出目前研究较多的是层状锂的氧化物材料、尖晶石材料和聚阴离子材料，碳、硅等负极材料和固态电解质，对正极掺杂元素的选择与优化，结合纳米等新技术和高性能的新型材料是锂二次电池重要的发展方向。

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面向储能技术的跨学科拔尖创新人才培养教学实践与探索

饶中浩, 刘臣臻, 霍宇涛, 赵佳腾, 刘昌会

2021 (3): 1206-1212. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021-0001

摘要 ( 552 )

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储能技术能够解决清洁可再生能源利用过程中存在的能量密度低、间歇性、波动大等问题，是促进我国乃至全球能源结构调整的关键技术。随着储能行业的快速发展，储能技术高水平人才的需求呈现井喷式增长。储能技术涉及动力工程及工程热物理、电气工程、材料科学与工程、化学工程与技术等学科的知识，具有较强的学科交叉性，从而给储能领域人才培养带来了很大的难度。针对储能技术高水平人才培养难和人才严重匮乏问题，中国矿业大学开展了面向储能技术的跨学科拔尖创新人才培养探索与实践，通过增设储能技术专业课，拓展学生跨学科的理论基础；建立交叉学科团队指导模式，充分发挥创新导师团队的正面引导作用；利用高水平储能创新平台反哺教学，实现储能交叉学科产教研协同育人。以上探索与实践取得了良好的效果，对储能行业拔尖创新人才的培养具有借鉴意义。

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《储能科学与技术》入选北京大学图书馆《中文核心期刊要目总览》

2021 (3): 1213-1214.

摘要 ( 220 )

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