储能科学与技术

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2021 (4): 0.

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电极材料储锂行为及其机制的原位透射电镜研究进展

柯承志, 肖本胜, 李苗, 陆敬予, 何洋, 张力, 张桥保

2021 (4): 1219-1236. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0042

摘要 ( 792 )

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锂离子在体相电极材料中的输运、反应、储存所引发的电子和晶体结构、微观形貌、化学组成、物理性质的动态演变与锂离子电池的电化学性能息息相关。从纳米甚至原子尺度上阐明电极在电化学过程中的微观结构、形貌、物相和化学成分的动态演化行为，对理解电极材料基本物理化学特性及其动态演化与电池宏观电化学性能间的构效关系至关重要；这需要借助清晰、精确的先进原位表征手段。在现有各类原位表征技术中，原位透射电镜(TEM)由于其超高的空间和时间分辨率，具有实时、动态监测电极材料在工况下结构、形貌、物相以及表/界面处原子级结构和成分变化的独特优势，是开展上述研究最具代表性的一种重要表征手段；可对电极材料微观动态演变行为和反应机理等进行精确表述，进而为高性能电极材料的构筑与性能调控提供微观依据和创新思路。本文总结归纳了当前采用原位TEM表征技术解析锂离子电池关键电极材料在充放电过程中的微观动态演变规律与失效机制的重要研究进展，包括多种正极材料和高比容量负极材料的原位TEM研究，重点是它们在电化学过程中微观结构、化学成分与物相动态演变等信息。此外，本文对原位TEM表征技术当前存在的问题，以及借助原位TEM技术研究二次电池的未来发展方向进行了展望和思考。

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锂电池百篇论文点评（2021.4.1—2021.5.31）

岑官骏, 乔荣涵, 申晓宇, 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 (4): 1237-1252. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0274

摘要 ( 815 )

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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4月1日至2021年5月31日上线的锂电池研究论文，共有3015篇，选择其中100篇加以评论。正极材料方面的研究主要集中在层状结构高镍三元、高压钴酸锂和尖晶石结构镍锰酸锂的合成条件、表面包覆和体相掺杂改性。硅基复合负极材料的研究重点包括对硅颗粒的包覆和对电极结构的优化以缓冲体积变化。金属锂负极的研究侧重于通过电解液添加剂来调控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氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、聚合物固态电解质以及复合固态电解质的合成、结构设计以及相关性能研究。液态电解液方面的研究主要包括提升石墨、硅负极的性能，以及适应高电压镍锰酸锂、三元层状材料、钴酸锂材料等正极材料电池的电解液溶剂、锂盐及添加剂。固态电池方向更多关注于复合正极设计和制备、活性材料表面的修饰、Li金属负极界面修饰。其他电池技术主要包括设计具有高离子/电子导电基体的复合锂硫正极，以及通过电解液添加剂来抑制多硫化物“穿梭效应”。测试技术方面涵盖了对Li金属的沉积、硅负极的SEI、复合正极的微结构和界面反应等问题的观测和分析。理论模拟工作涉及固态电池中固体电解质及其与电极界面的稳定性。界面问题侧重于关注固体电解质和Li金属负极界面副反应和Li枝晶生长。

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静电纺丝法制备TMO/C复合纳米纤维在锂离子电池负极材料中的应用进展

杨瑞, 汪丽莉, 宓一鸣, 刘烨, 吴建宝, 赵新新

2021 (4): 1253-1260. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0073

摘要 ( 526 )

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过渡金属氧化物(TMO)因其极高的理论比容量被认为是代替石墨成为锂离子电池负极材料的最佳选择之一，但是在充放电过程中的过度体积膨胀以及较差的导电性能限制了其进一步发展。将TMO材料与碳材料复合，既能满足储锂容量需求，又能避免充放电过程中过度体积膨胀。通过对近期相关文献的调研，对以静电纺丝技术为基础制备的TMO/C混合材料纳米纤维作为锂离子电池的负极材料的研究结果进行了总结。着重介绍了多孔、核壳、中空以及混合结构的TMO/C混合材料纳米纤维的制备过程，以及这些特殊结构对锂离子电池性能的影响情况。综合分析表明，具有较大比表面积和丰富孔洞结构的纳米纤维膜在充放电循环过程中为化学反应提供更多的活性点位，为锂离子的快速扩散和电荷转移建立了良好的导电通路，对于锂离子电池的电化学性能有着较大的改善作用。最后讨论了该领域目前存在的不足和挑战，并对TMO基锂离子电池负极材料未来的发展方向做了如下展望：简化制备工艺，降低制备成本，提高制备效率，实现量产；研究发掘出更适合与TMOs复合的材料，开发出结构更加合理、性能更加优异的锂离子电池。

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锂金属负极用集流体改性研究及进展

刘洋洋, 王旭阳, 徐谢宇, 王永静, 熊仕昭, 宋忠孝

2021 (4): 1261-1272. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0082

摘要 ( 813 )

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金属锂具有超高理论比容量密度(3680 mA·h/g)和低还原电位(-3.04 V,相对标准氢电极)，被认为是高能量密度电池负极材料的“圣杯”。然而，由锂枝晶生长和对电解质高反应性所造成的库仑效率低、循环寿命短、内短路等一系列问题，严重制约着金属锂负极的实用化进展。在实际的电化学体系中，集流体作为金属锂沉积/脱出的基底，其表面性质对锂负极的循环稳定性起着至关重要的作用。本文从负极集流体表面成分以及微结构设计两方面系统总结了多种稳定金属锂负极的界面修饰策略，包括构建亲锂表面、纳米级电子/离子混合导电网络修饰、表面微结构设计等。对集流体界面和结构进行针对性修饰，可以有效调控金属锂的电沉积，推进金属锂负极在高能量密度电池体系中的实用化进程。

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热化学储热反应器内水合盐物性调控及传热传质优化研究进展

罗伊默, 芮金金, 徐薇, 彭晋卿, 折晓会, 李念平, 丁玉龙

2021 (4): 1273-1284. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0026

摘要 ( 489 )

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水合盐热化学储热具有材料储热密度高、热损失小、适合季节性存储等优点，与可再生能源相结合是保障清洁供热、实现供热碳中和的有效措施之一。反应器是水合盐热化学储热的关键部件，直接影响系统的效率和可靠性。然而目前反应器因材料配方和结构设计不合理，存在热功率低、材料循环稳定性差、装置使用寿命短等缺点。本文针对反应器性能优化，从水合盐物性调控和水合盐-湿空气传热传质机理两个方面进行了综述。与现有综述不同，首次对新型金属有机框架材料(MOF)在水合盐热化学储热领域的研究现状进行了介绍，调研结果表明相比传统骨架材料，MOF作为骨架的复合水合盐材料的性能更加优越。还总结了反应器内水合盐-湿空气传热传质机理、数学模型以及相关实验研究及性能优化。基于以上分析结果，指出了未来研究的工作重点，即高性能复合水合盐材料的开发、反应器微纳尺度的传热传质研究以及反应器结构优化，这对提高反应器内热质传递速率、改善稳定性等具有重要意义。

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石蜡/SEBS复合相变材料热疗鼻贴的研究

吴熠, 张超, 凌子夜, 张正国, 方晓明

2021 (4): 1285-1291. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0040

摘要 ( 524 )

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以热塑性弹性体(SEBS)为基体，以四种不同石蜡(OP44E、Paraffin46-48、OP50E、OP55E)作为相变材料，通过物理吸附和平板硫化法制备得到了具有不同相变温度的石蜡/SEBS复合相变材料热疗鼻贴。测量了复合相变材料的硬度、相变温度和相变潜热以及热疗鼻贴的控温效果。结果表明：四种石蜡/SEBS复合相变材料热疗鼻贴在高于相变温度状态下邵氏硬度均接近0 HA，十分柔软，使得热疗鼻贴与鼻部可紧密贴合。其相变温度与石蜡相当，相变焓值高于135 J·g^-1。80 ℃水温条件下仅需1.5 min可使鼻贴从常温快速加热至60 ℃，是一种方便快捷的加热方式。热疗鼻贴的合适相变温度为46～48 ℃，10 mm厚度的Paraffin46-48/SEBS 相变材料热疗鼻贴能够维持鼻部温度43 ℃以上15～20 min的热疗要求。本研究有效地改进了局部热疗在鼻炎症状治疗中存在的温度和时间问题，推动了热疗法在在鼻炎治疗中的应用。

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三元混合碳酸熔盐热物性实验研究

吴玉庭, 明苏布道, 张灿灿, 鹿院卫

2021 (4): 1292-1296. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0126

摘要 ( 552 )

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为满足超临界二氧化碳太阳能光热发电系统高温传热储热的要求，对3种不同比例的高温混合碳酸熔盐的热物性进行研究。实验结果表明，1号、2号、3号混合碳酸熔盐的熔点分别为388.7、337.9、391.3 ℃；初晶点分别为454.9、639.7、535.4 ℃；1号、3号混合碳酸熔盐的分解温度分别为916.2、920.4 ℃。通过分析发现2号混合碳酸熔盐的初晶点较高和熔化潜热较小，因此选取1号和3号混合碳酸熔盐进行比热容、导热系数和黏度的测定。通过分析发现，在实验温度范围内1号和3号混合碳酸熔盐的比热容随着温度的升高先降低再升高；1号混合碳酸熔盐的平均导热系数为1.024 W/(m·K)，是3号混合碳酸熔盐平均导热系数的2.29倍；1号和3号混合碳酸熔盐的黏度都随着温度升高逐渐降低，1号和3号混合碳酸熔盐的最小黏度值分别为6.62 mPa·s和5.28 mPa·s。

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纳米颗粒对二元硝酸盐表面张力和密度的影响

熊亚选, 张慧, 吴玉庭, 丁玉龙

2021 (4): 1297-1304. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0112

摘要 ( 351 )

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PDF(2941KB) ( 180 )

为准确计算纳米熔盐的传热储热能力，利用高温熔融法将SiO₂纳米颗粒分散至二元硝酸盐(60%NaNO₃-40%KNO₃)中，制备了5种不同含量SiO₂纳米颗粒的纳米熔盐复合材料。基于阿基米德法测量液体密度和拉筒法测量液体表面张力的原理改进实验装置，搭建高温熔盐密度、表面张力实验台。实验对制备的5种纳米熔盐的表面张力和密度进行实验测量，并对实验数据进行拟合，得到5种纳米熔盐密度和表面张力随温度的变化关系，拟合得到纳米熔盐密度和表面张力与温度之间的实验关联式。结果表明，基盐及5种纳米熔盐的密度均随温度的升高而下降，且加入SiO₂纳米颗粒后，熔融盐的密度变化不明显。基盐及5种纳米熔盐的表面张力也随温度的升高而下降，且加入SiO₂纳米颗粒后，熔融盐的表面张力值均有所增加。提出纳米熔盐形成机理，并对纳米熔盐密度和表面张力改变的原因进行解释。

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磺化聚醚醚酮基两性离子交换膜制备及在铁-铬液流电池中的应用

张蓉, 王曙光, 孙璇, 江小松, 胡磊, 焉晓明, 贺高红

2021 (4): 1305-1310. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0050

摘要 ( 580 )

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PDF(4753KB) ( 414 )

针对铁-铬液流电池用的离子交换膜需求，通过在磺化聚醚醚酮(SPEEK)中引入了高亲水性聚乙烯亚胺(PEI)构建离子交联形成高效氢键网络，制备了两性离子交换膜(SPEEK/PEI)。通过引入胺基来构建离子交联结构，有效降低了SPEEK膜的溶胀度，抑制了铁-铬离子渗透；同时膜中亲水的PEI促进了亲水通道的形成，保持了高质子传导率。基于膜中高效氢键网络，SPEEK/PEI膜实现了铁-铬液流电池库仑效率与能量效率的有效提升。在70 mA/cm²电流密度下铁-铬液流电池性能测试中，SPEEK/PEI 3%膜的库仑效率为96.5%，能量效率达到79.4%。

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锂离子电池用无溶剂干法电极的制备及其性能研究

郭德超, 郭义敏, 张啟文, 慈祥云, 何凤荣

2021 (4): 1311-1316. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0081

摘要 ( 2766 )

HTML ( 240 )

PDF(8135KB) ( 1995 )

采用无溶剂电极制备技术成功制备了锂离子电池用LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂干法电极片，采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对干法电极片的形貌和元素分布进行了分析测试，通过倍率充放电、交流阻抗、循环充放电等测试手段研究了干法电极片的电化学性能。结果表明：纤维状PTFE广泛地分布在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂活性物质颗粒的周围，在干法电极内部形成了一个致密、完整、柔性的网状黏结剂结构；电极循环500圈后，容量保持率为94.89%，循环性能明显优于传统的湿法涂布电极。500圈循环后的电极片内部仍保持着稳定的网状黏结剂结构，LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂活性物质颗粒表面的裂隙显著少于湿法涂布电极，表明由PTFE纤维构成的三维网络结构能够有效地改善电极片的抗劣化性能。由于干法电极技术在制备过程中不使用任何溶剂，有减少原材料、降低能耗、环境友好的优点，且该技术支持制备厚电极进而能够提高锂离子电池的能量密度，具有较强的实际应用价值。

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烷基磺酸蒽醌电解质的合成及其在液流电池中的应用

吕腾, 叶子祥, 李泾, 储富强, 林本才

2021 (4): 1317-1324. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0025

摘要 ( 503 )

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PDF(3589KB) ( 313 )

分别以1, 2 -二羟基蒽醌、2, 6-二羟基蒽醌和1, 4-二羟基蒽为原料与丙烷磺内酯反应，合成了3种烷基磺酸基蒽醌[1-羟基-2-氧丙烷磺酸基蒽醌(1, 2-AQPSH₂)、2, 6-二氧丙烷磺酸基蒽醌(2, 6-AQDPSH₂)和1-羟基-2-氧丙烷磺酸基蒽醌(1, 4-AQPSH₂)]。研究了3种烷基磺酸基蒽醌在1 mol/L NaCl水溶液中的溶解性及其在中性条件下的氧化还原性质。选取溶解性最好的烷基磺酸基蒽醌(1, 4-AQPSH₂) 作为阳极电解质，与2, 2, 6, 6-四甲基哌啶醇(4-OH-TEMPO)阴极电解液搭配使用，以 Nafion212作为离子交换膜，组装了中性水系有机氧化还原液流电池单电池，该液流电池的开路电压约为1.0 V，在60 mA/cm²电流密度下进行循环性能测试，电池的能量密度为68%，库仑效率为97%，电压效率为69%，经过75个充放电循环测试后电池的放电容量没有明显的降低，表明1, 4-AQPSH₂在该体系下运行具有良好的稳定性。这些结果表明1, 4-AQPSH₂作为中性水系有机氧化还原液流电池阳极电解液具有很好的应用前景。

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N/P比对磷酸铁锂电池性能的影响

刘范芬, 陈诚, 朱智渊, 张伟康, 吕正中

2021 (4): 1325-1329. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0094

摘要 ( 2242 )

HTML ( 134 )

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为了探究不同N/P对磷酸铁锂电池性能的影响，以磷酸铁锂为正极材料，人造石墨为负极材料，通过叠片工艺制备了4种不同N/P比(1.02、1.06、1.10、1.14)的磷酸铁锂电池，并通过电化学测试表征了不同N/P下电池的首次放电效率、倍率充放电性能、充放电DCR、高低温放电以及45 ℃循环性能。结果表明：相比于N/P(1.02、1.06)，N/P比为1.10、1.14时，其充电DCR在60%、30%SOC时小4 MΩ左右，使其在大倍率充电和低温条件下极化更小；随着N/P的增加，充电恒流比有所提高，且0 ℃下的放电容量保持率得到改善；当N/P比为1.10时，其45 ℃循环容量保持率在循环1000圈后仍为91.8%，明显优于其他组(N/P比为1.02、1.06)。该实验设计及结果有望为以后的研究者对于磷酸铁锂电池的设计开发提供理论依据。

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Al掺杂锰酸锂材料在水系锂离子电池中的循环稳定性

Al-jawfi Ibrahim, 赵佳琦, 师萌, 康晓红

2021 (4): 1330-1337. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0080

摘要 ( 556 )

HTML ( 34 )

PDF(4678KB) ( 342 )

水系锂离子电池具有优良的安全性能和高离子导电性等优点，得到了广泛研究。LiMn₂O₄材料在水系锂离子电池中较差的循环稳定性使其应用受到限制。为了改善这一缺陷，以乙炔黑为模板，采用简单的高温固相法合成了Al掺杂的LiMn₂O₄材料(LiMn_1.9Al_0.1O₄)，并应用于水系锂离子全电池中。实验结果表明，在0.1 A/g的电流密度下，LiMn₂O₄材料放电比容量高达125.5 mA·h/g，略高于LiMn_1.9Al_0.1O₄材料的比容量(121.6 mA·h/g)。在0.1 A/g电流密度下，经200次循环LiMn_1.9Al_0.1O₄材料的容量保持率(90%)高于LiMn₂O₄材料(78%)。将电流密度提升到1 A/g经500次循环后LiMn_1.9Al_0.1O₄和LiMn₂O₄材料的容量保持率分别为88%和57%。上述结果表明Al掺杂的锰酸锂材料在水系锂离子电池中的循环稳定性以及倍率性能均有明显提高，说明Al的掺杂能显著提升锰酸锂正极材料的结构稳定性，并且能够缓解Mn的溶解和抑制Jahn-Teller效应，改善循环性能。

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磷酸铁锂动力电池常温循环衰减机理分析

刘晓梅, 姚斌, 谢乐琼, 胡乔, 王莉, 何向明

2021 (4): 1338-1343. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0144

摘要 ( 2000 )

HTML ( 167 )

PDF(2125KB) ( 1994 )

常温循环寿命是锂离子电池应用的重要指标，磷酸铁锂电池具有阴极结构稳定和电解液成分简单的特点，是研究锂离子电池工作机理的重要手段。研究磷酸铁锂电池的常温衰减机理对于完善锂离子电池衰减机理的认知和电化学性能提升有重要意义。本文以不同健康状态(SOH)的商业化磷酸铁锂电池为样本，研究其常温循环容量衰减的原因。使用电化学微分容量曲线(dQ/dV)分析电芯常温循环过程中的极化变化规律，通过曲线的峰面积变化规律推断电芯容量损失来源，发现电芯的极化虽然随着循环增长，但容量损失主要发生在石墨第3个平台。三电极电芯的电化学阻抗谱显示电芯循环中阳极R_ct增长迅速，动力学下降。阴阳极扣电测试发现循环中阴阳极材料的活性没有发生变化。结合以上结果，磷酸铁锂电池常温循环容量损失主要体现为活性锂损失，活性锂损失主要与循环中固体电解质膜(SEI)增厚和电池膨胀应力导致的阳极动力学性能下降相关。动力学不足导致的阳极电位过低加速副反应消耗活性锂。

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基于锂离子电池热失控模型的电热耦合滥用条件分析

许金龙, 沈佳妮, 王乾坤, 贺益君, 马紫峰, 谈文, 杨庆亨

2021 (4): 1344-1352. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0064

摘要 ( 622 )

HTML ( 51 )

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由锂离子电池热失控引发的各类安全问题是目前电动汽车和大规模储能电站继续推广的一大瓶颈。电、热滥用是引发电池热失控的关键原因，研究锂离子电池的热失控现象对保证锂离子电池安全运行意义重大。基于锂离子电池热失控模型，系统研究了充电倍率、环境温度和散热条件等因素对锂离子电池热失控过程中电、热响应特性的影响。结果表明，相较于常温下的过充热失控过程，在过充-过热耦合作用下，电池热失控SOC会有所降低，当处于极端高温环境时，热失控在电池未充满阶段即可发生。在过热及低表面换热环境下，充电倍率对电池热失控SOC影响不大；在过热及自然对流环境下，随着充电倍率增加，电池热失控SOC提高，热失控时间提前。本研究为可靠的电池安全预警技术开发提供了支持。

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兼顾储能系统热管理与电池寿命的可再生能源储能电站经济调度

张超, 康慨, 卢胜, 覃新宇, 黄彦博, 李正天

2021 (4): 1353-1363. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0114

摘要 ( 371 )

HTML ( 29 )

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可再生能源储能电站的长期稳定运行与储能系统的热量管理息息相关，合理的热量管理策略能够保障储能电站的经济性与安全性。为了合理有效地进行储能系统热量管理，本文综合电池寿命成本，以日内实时调度的最高净盈利作为优化目标，提出了考虑热量管理与电池寿命损耗成本的储能电站调度策略。并利用分片McCormick方法将双线性项精细线性化，再利用Gurobi进行快速求解，满足日内实时调度要求。案例仿真结果表明，所提模型能够兼顾热量管理与电站经济性，与传统调度策略相比具有明显优越性。且分片McCormick方法在可接受误差范围内，求解速度优于常规智能算法。

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基于大平板热管的电池热管理实验及仿真

刘彬, 胡子强, 李夔宁, 谢翌, 郑锦涛

2021 (4): 1364-1373. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0092

摘要 ( 446 )

HTML ( 37 )

PDF(8073KB) ( 289 )

热特性是影响锂离子电池性能的主要因素之一，当电池以较高倍率进行充放电时，热量聚集使温度迅速上升，影响电池性能，甚至会产生燃烧或爆炸。本工作搭建了一种基于大平板热管的高效高均温性电池散热模型。电池组置于大平板热管上，底部辅以风冷散热，在不同工况下对电池表面平均温度及最大温差进行数值计算，并通过实验验证了热管理模型准确性。结果表明，当环境温度为20 ℃、冷却风速为5 m/s、以1 C放电至截止电压时，电池组平均温度为38 ℃，最大温差为1.9 ℃；在大平板热管散热端适量布置翅片可增大换热面积，提高换热效率。

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超临界压缩空气储能系统蓄冷换热器优化设计

吴玉庭, 宋阁阁, 张灿灿, 寇真峰, 鹿院卫

2021 (4): 1374-1379. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0110

摘要 ( 475 )

HTML ( 32 )

PDF(1539KB) ( 275 )

蓄冷换热器是超临界压缩空气储能系统的一个重要组成部分。为探究蓄冷换热器中设计尺寸参数对蓄冷装置加工和蓄冷性能的影响，以固体氯化钠颗粒作为蓄冷材料设计了一种超临界压缩空气填充床式蓄冷换热器。根据系统的要求参数和压力容器尺寸的约束方程，以罐体质量和加工成本最小、冷量损失最小和蓄冷效率最高为原则对10 MW蓄冷换热器的整体尺寸进行优化。对比发现随着换热器高度的增加，罐体质量和加工成本逐渐增加；对0.5～10 MW不同蓄冷功率下的蓄冷装置蓄冷效率进行对比分析，发现在长径比不变时，蓄冷效率随功率的增大从94.65%到96.08%逐渐提高，冷损失量也同步增加。最后得到在14组的优化数据中，最优参数下，蓄冷换热器冷损失量较低，蓄冷效率为96.08%，同时加工成本也在可接受范围内。

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冬冷地区冰源热泵系统清洁供暖的经济性

王瑛滢, 傅德坤, 陈明彪, 宋文吉, 冯自平

2021 (4): 1380-1387. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0206

摘要 ( 314 )

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我国大部分冬冷地区没有集中供暖设施，采用高效热泵技术是实现清洁供暖的重要途径。基于过冷相变原理的直接蒸发式冰源热泵技术，利用近冰点水的相变潜热作为热源，具有采暖能效高、适用性广的特点。利用EES(engineering equation solver)软件模拟冰源热泵系统的运行性能，研究了循环工质、过冷水过冷度及冷凝温度对系统性能的影响。结果表明：在R22、R410A、R134A、R407C几种工质中，工质R22的系统能效COP_sys最高。针对采用R22工质的热泵系统，当过冷水过冷度由1.0 K提升至3.5 K时，COP_sys由2.87降低至2.71，降低了5.57%；当冷凝温度由35 ℃升高至55 ℃时，COP_sys明显降低，由3.4降至2.3，降低了32.4%。此外，为明确冰源热泵系统在冬冷地区的运行经济性，以上海和重庆200 m²的居民建筑为对象，采用TRNSYS软件模拟两地的供暖负荷动态特性，进一步计算冰源热泵系统运行的耗水量及运行费用。结果表明：在整个供暖季中，冰源热泵系统在上海和重庆的单位供暖面积运行费用分别为12.7元/m²和5.6元/m²，且冰源热泵在上海运行时的经济性更高。

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含地面充电桩的储能式有轨电车车地整体性容量配置

谢雨轩, 白云驹, 肖意军

2021 (4): 1388-1399. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0048

摘要 ( 460 )

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PDF(3063KB) ( 338 )

近年来，储能式有轨电车得到大力发展，其中结合地面充电装置与储能技术的新型有轨电车供电制式是目前的研究热点。本文基于现有某线路有轨电车已投入使用的运行模式展开研究，结合地面充电装置与储能技术，构成车(锂电池和超级电容)+地(地面充电桩)的动力系统，在保证有轨电车运行和安全性的前提下，建立地车地一体化动力系统经济型模型，并采用粒子群优化算法求解得到了经济性最优的容量配置方案。通过对比分析，本文提出的新型容量配置方案与现有的纯超级电容“站站充”模式相比，在日均成本上降低了9.8%，综合总成本节省了1064万元，对地面充电站充电功率需求降低了66.7%。

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基于Cuk电路的多交错对称式均衡方案

李斌, 许磊, 郑征, 胡丹丹, 张国澎

2021 (4): 1400-1406. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0049

摘要 ( 398 )

HTML ( 21 )

PDF(1174KB) ( 181 )

均衡控制作为解决电动汽车电池组不一致性问题的有效方式，已发展成为汽车动力电池的关键技术之一。针对目前电感式拓扑均衡时间长、均衡速度慢的问题，本文提出了一种基于Cuk电路的多交错对称式均衡方案。以单体电池作为研究对象，引入中止参数，完成均衡策略的设计与优化，最终实现均衡控制。该均衡方案拓扑结构简单、均衡速度快，克服了传统电感式均衡能量转移路径长的缺点，并且实现了自适应调节均衡模块的控制信号占空比。最后搭建10节电池的均衡仿真模型进行验证，仿真结果表明了该均衡方案明显提高了均衡速度，改善了电池组的不一致性。

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钠离子电池健康状态预测

冯一峰, 沈佳妮, 车海英, 马紫峰, 贺益君, 谈文, 杨庆亨

2021 (4): 1407-1415. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0036

摘要 ( 973 )

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PDF(2917KB) ( 730 )

钠离子电池健康状态(SOH)预测对于电池优化管理有重要意义，但由于钠离子电池老化机理复杂，影响因素众多，精准SOH预测挑战巨大。为此，本研究从健康状态时序测量数据出发，提出了基于双指数模型的粒子滤波法(DEM-PF)和基于小波分析的高斯过程回归法(WA-GPR)，以实现钠离子电池单步SOH和剩余可用寿命(RUL)预测。前者直接采用双指数函数构建时序SOH数据模型，并结合PF算法进行模型参数更新；后者采用小波分析实现时序SOH数据多尺度解耦，采用GPR构建各尺度数据模型并进行融合后实施预测。实验结果表明，相比DEM-PF方法，WA-GPR方法的单步SOH和RUL预测效果更好，单步SOH预测均方根误差为0.8%，RUL预测误差最小为3次循环，从而为钠离子电池管理提供有效支撑。

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动态工况下车用燃料电池系统热力学分析

陈曦, 贺凌轩, 刘芹孝, 方叶, 龙施淳, 万忠民

2021 (4): 1416-1422. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0020

摘要 ( 447 )

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PDF(1749KB) ( 400 )

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是通过电化学将反应将氢气中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，具有启动快、无污染、效率高、可靠性高等特点，正逐步应用于新能源汽车。本文提出了一种车用燃料电池动力系统热力学模型，系统主要由PEMFC电堆、空气压缩机、氢气循环泵、冷却水泵及加湿器模型组成。研究了动态工况下附属设备能耗对燃料电池动力系统效率的影响，分析了工作温度、阴阳极进气湿度等运行参数与系统电功率、电效率及热效率的映射关系，得到了动力系统在180～300 A阶跃电流下的附属设备能耗及系统输出净功率、电效率、热效率。结果表明，在30 kW车用PEMFC系统中，系统输出净功率达22.5 kW，加湿器、冷却泵、空压机、氢气循环泵的能量损耗分别达1.78 kW、2.18 kW、3.1 kW、2.15 kW。系统最大电效率及热效率分别达41%、52.1%。

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相变材料与水套式液冷结构耦合的圆柱型锂离子电池组热管理仿真分析

黄菊花, 陈强, 曹铭, 张亚舫, 刘自强, 胡金

2021 (4): 1423-1431. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0091

摘要 ( 548 )

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PDF(4513KB) ( 392 )

针对圆柱型锂离子电池组散热问题，设计了一种新型的相变材料(PCM)-水套式液冷耦合散热结构模型。首先研究了电池组在PCM模型的散热下，不同电池间距对电池组表面温度的影响，并得出PCM模型的最佳电池布局。然后根据PCM模型的最佳电池布局，优化PCM-水套式液冷耦合散热结构模型，即找出PCM散热模型的最佳流道结构。通过仿真分析结果表明，在6流道结构模型下，电池之间的最佳间距为8 mm；PCM-水套式液冷耦合散热模型的效果最佳，在3 C和5 C高倍率放电时，电池组的表面最高温度分别为33.78、41.11 ℃，相比于同尺寸PCM散热模型的最高温度，分别降低了7.23、1.06 ℃。采用PCM-水套式液冷耦合散热模型，电池之间的最大温差均维持在5 ℃以内。结果表明：该新型的PCM-水套式液冷耦合散热结构能在一定程度上保证电池组的正常工作，并提高电池组的安全性和耐用性。

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结合高斯过程回归与特征选择的锂离子电池容量估计方法

韩云飞, 谢佳, 蔡涛, 程时杰

2021 (4): 1432-1438. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0109

摘要 ( 674 )

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由于锂离子电池本身复杂的老化特性，准确预测电池的健康状态和剩余寿命是一个尚未解决的挑战，这限制了消费电子、电动汽车和电网储能等技术的发展。电池的老化机制复杂且相互耦合，难以采用基于模型的方法进行准确的建模。本工作提出了一种基于数据驱动的锂离子电池容量估计方法，通过分析电池的电压-放电容量曲线随循环老化的演变模式，提取具有电化学意义的特征，采用高斯过程回归(Gaussian process regression，GPR)对电池的容量进行预测。该模型的输入特征可以在线获取，不需要对电池进行完整的充放电循环即可估计容量。在钴酸锂电池和磷酸铁锂电池数据集上分别进行了实验验证，结果表明该方法具有较好的泛化能力，对不同类型的电池均能实现准确的容量估计。将本文的方法与阻抗谱作为输入的GPR模型进行对比试验，结果表明该特征能获得更好的估计精度。这一结果说明了合适的特征选择能显著影响锂离子电池的数据驱动模型性能，为电池的状态预测与诊断提供了参考。

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动力型双电层电容器过载使用的性能

乔志军, 张希, 陈雪龙, 于学文, 屠建飞, 阮殿波

2021 (4): 1439-1445. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0031

摘要 ( 349 )

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PDF(3957KB) ( 217 )

采用过流、过压、短路放电、高低温的过载方法，研究了过载对有轨电车用动力型双电层电容器的性能影响。结果表明：双电层电容器单体在充放电的平均电流相同条件下循环测试，单体的电化学性能保持一致。平均电流大于额定电流时，单体产热量大，容易造成漏液。单体可进行短路放电，瞬时短路放电电流为6200 A，且单体不会损坏。在额定电流持续充电条件下，充电时间达到1000 s后，外壳爆裂，发生燃烧，而停止充电后燃烧现象迅速熄灭，不具备持续燃烧的性质，不发生爆炸。单体可耐3.0 V高压。在-45～65 ℃范围内，单体均可使用，温度越低(≥-45 ℃)，单体可发挥的性能越优。

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基于遗传算法的电池包高效热管理流道优化

胡银全, 刘和平

2021 (4): 1446-1453. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0131

摘要 ( 392 )

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电池包的热管理对于避免过热和热失控等问题至关重要，必须采用主动冷却系统来保持电池的安全温度，提高电池的性能和寿命。液体冷却是一种有效的冷却方法，但是关于结构参数对冷却效果影响的参数化研究仍然缺乏。本文采用了一种基于微通道硅基冷板的液体冷却方法，采用计算流体力学方法建立流-固耦合散热模型。采用拉丁超立方法生成参数组合样本，通过多目标遗传优化方法开发出具有高效散热性能和较低能耗的冷却系统。实验结果表明，优化后的液冷系统能够有效地控制模块的温度低于45 ?℃，单体电池间的温度偏差也可以控制在5 ℃的小范围内。本研究结果将为电池组件热管理系统的设计和优化提供有效的研究思路，有助于推动电池在实际产品上的应用。

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基于改进的CDKF锂电池SOC估计方法

张小利, 王玥童, 夏金松, 张莹莹

2021 (4): 1454-1462. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0124

摘要 ( 415 )

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PDF(3113KB) ( 295 )

准确估算荷电状态(SOC)可以为电池之间的均衡管理提供依据，延长锂电池组整体的使用寿命。针对中心差分卡尔曼滤波算法(CDKF)存在较大线性误差的问题，提出一种改进的CDKF算法。在原算法中引入迭代滤波思想，多次利用测量信息更新状态量估算值，使得观测信息不断迭代更新，基于LM优化方法不断修正协方差矩阵，有效减小了线性误差。首先基于二阶阻容(RC)电路单元模型，选择最小二乘参数辨识方法，辨识出模型阻容参数；然后进行HPPC实验，验证电池等效模型的准确性；最后分别在恒流放电和动态工况下应用改进后的CDKF算法对电池SOC和电压进行估计，并将估计结果与CDKF算法进行比较。两种工况下验证结果表明改进后的CDKF算法精度更高，SOC估计精度可提升1.16%，最大估计误差小于1.7%，算法收敛时间也比原算法短，改进后的CDKF算法在估计精度和鲁棒性方面均有所提升，更具有应用优势。

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我国储能政策分析与建议

刘英军, 刘亚奇, 张华良, 徐玉杰, 陈海生

2021 (4): 1463-1473. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0038

摘要 ( 1049 )

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为发展可再生能源和完善优化现有电力系统，提高整体能源利用效率，世界主要国家均出台支持储能大规模发展的政策措施。尽管我国储能产业发展迅速，但仍处于从政策层面向行动计划过渡的时期。本文简要介绍了储能在全球绿色能源革命中发挥的重要作用以及全球储能产业的发展现状，从储能产业发展规划、储能应用在电力市场中的激励政策、可再生能源、清洁能源发展政策和新能源汽车类政策等方面，对我国国家层面的储能政策进行了梳理；然后从“十三五”时期能源规划类、调峰辅助市场运营规则类、地方补贴政策、储能协同可再生能源政策以及峰谷电价政策等方面，对我国地方政策进行了分析；并对国家电网和南方电网两个企业近年储能政策方向的转变进行了研究，最后分析了我国储能政策目前存在的主要问题，提出了促进我国储能发展的政策建议。

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专业英语教育教学理论与应用研究

沈剑文

2021 (4): 1474-1474.

摘要 ( 152 )

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PDF(321KB) ( 98 )

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计算机技术在储能系统中的应用研究

李骏, 杨雅志

2021 (4): 1475-1475.

摘要 ( 163 )

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PDF(310KB) ( 137 )

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2021中国化工学会年会“氢能与燃料电池”分论坛通知

2021 (4): 1476-1476.

摘要 ( 158 )

PDF(338KB) ( 95 )

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