储能科学与技术

本期中英文目录

2021 (6): 0.

摘要 ( 115 )

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用于酸性析氧反应研究的原位表征技术

杨家豪, 施兆平, 王意波, 葛君杰, 刘长鹏, 邢巍

2021 (6): 1877-1890. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0364

摘要 ( 396 )

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PDF(9001KB) ( 404 )

质子交换膜(PEM)水电解的阳极催化剂需要耐受强酸性环境以及析氧反应(OER)条件下的高氧化电位。为了加深对酸性介质中OER过程的理解以开发具有更好稳定性与更高活性的电催化剂，研究和发展原位表征技术显得尤为重要。该综述介绍了几种用于酸性OER研究的原位表征技术，包括：原位X射线光电子能谱技术、原位X射线吸收谱技术、原位X射线衍射/散射技术、原位电化学红外技术、原位电化学拉曼技术、原位电感耦合等离子体-质谱技术、微分电化学质谱/在线电化学质谱技术、电化学石英微晶天平技术。重点讨论了这些技术的原位装置设计以及它们在酸性OER研究领域的具体应用。最后总结了这些技术的特征，并指出用于酸性OER的原位表征技术的发展之有待解决的问题，即新技术的研发与原位技术间的联用、原位装置的改进及时空分辨率的提高。

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共价有机框架材料（COFs）在氧电极电催化中的研究进展

邹文午, 蒋国星, 杜丽

2021 (6): 1891-1905. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0401

摘要 ( 264 )

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PDF(11381KB) ( 151 )

在碳达峰、碳中和的目标之下，燃料电池、金属-空气电池、电解水等清洁能源技术提高了能源利用率，在未来将成为新的能源消费方式。氧还原反应(ORR)、氧析出反应(OER)因其缓慢的动力学过程而导致此类清洁能源技术的发展受到阻碍。贵金属催化剂虽被认为是最高效的催化剂，但其成本高、稳定性低，寻找非贵金属催化剂已成为相关研究的趋势。共价有机框架材料(COFs)作为一类新兴的材料，由有机单体通过特殊的共价键连接而成，因其具有可调控的结构、低密度、高稳定性、较大比表面积等独特的优点，通过合理的设计策略，将其应用于电催化剂的研究在近年来逐步兴起。本文回顾了近期适用于ORR、OER及ORR/OER双功能电催化的二维COFs(2D COFs)材料，主要介绍了以纯COFs作为电催化剂、COFs与其他材料形成复合结构、COFs热解碳化等策略制备高效电催化剂，并从分子设计及电子调控等层面上梳理了上述策略对电催化活性中心的形成或电催化活性提升的原因，对当前存在的问题提出总结，以期在今后的研究中起到一定借鉴意义。

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过渡金属基催化剂用于氧析出反应的研究进展

宋乃建, 郭明媛, 南皓雄, 喻嘉

2021 (6): 1906-1917. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0441

摘要 ( 583 )

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PDF(5178KB) ( 561 )

由于动力学缓慢，在能源转换和储存过程中，特别是在电解水过程，氧析出反应(OER)是一个关键的限制性反应。目前该领域所面临的主要挑战是探索不含贵金属的催化剂，以促进OER反应过程。由于独特的化学、物理特性和低廉的使用成本，过渡金属基化合物在水的电化学分解过程中的应用得到了广泛关注。本文综述了尖晶石、钙钛矿和层状双金属氢氧化物(LDH)三种过渡金属化合物作为OER电催化剂的最新研究现状和进展，重点介绍了提高OER催化活性和催化剂稳定性的策略以及相应催化剂的催化性能和效果。综合当前文献的研究结果可以发现，OER催化活性的提高主要有两种措施：一是在催化剂中引入更多的催化活性位点，并且保证这些活性位点尽可能暴露在催化剂的表面；二是优化催化剂的导电性能。通过控制尺寸、形态、晶格缺陷、氧空位、相态及化学组成，或者与导电材料相复合，可以在一定程度上满足上述两种要求。最后，对OER电催化剂的未来发展方向进行简要讨论。

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MXene基纳米材料在氧还原电催化中的应用

李月霞, 刘全兵

2021 (6): 1918-1930. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0458

摘要 ( 339 )

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氧气还原反应(ORR)是燃料电池和金属-空气电池中的一个关键过程，反应动力学缓慢是制约其发展的瓶颈。MXene基纳米材料(包括MXenes复合材料)作为一种新型的二维层状材料，具有丰富的组成、高比表面积和化学稳定性、可调电子状态、大量暴露的活性位点等独特的结构特点，被认为是当前最有前途的一类ORR电催化剂或载体。开发高性能MXene基ORR催化剂为加速燃料电池和金属-空气电池阴极的缓慢ORR提供了新的途径。本文通过对近期相关文献进行分类总结，综述了MXene基ORR催化剂的设计原则，着重介绍了MXenes和MXenes复合材料在合成策略，组分、形态、结构与其电催化性能之间的构效关系，以及材料电催化反应机理等方面的最新研究进展。综合分析表明，通过构建MXene/过渡金属氧化物、MXene/过渡金属硫族化物、MXene/过渡金属氮化物、MXene/碳基材料、MXene/金属等MXenes复合材料，有望获得高活性、高稳定性的MXene基ORR催化剂。最后，本文提出该类催化剂目前在实际应用中面临的挑战，并指出MXene基纳米材料在电催化ORR方面的未来发展趋势。

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固体氧化物燃料电池镍基阳极积碳机理及性能提升策略研究进展

韩婷婷, 吴玉玺, 解子恒, 孟秀霞, 张津津, 解玉姣, 于方永, 杨乃涛

2021 (6): 1931-1942. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0148

摘要 ( 348 )

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固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)是一种高效清洁的能量转化装置，具有效率高、环境友好、燃料适用灵活等突出优势，有望成为新一代清洁能源。当前，SOFC阳极使用最广的是镍基材料，这得益于其低成本、优异的化学稳定性和催化效果等优点。但是，当SOFC以碳氢化合物为燃料时，镍基阳极上会产生大量积碳，严重破坏阳极结构，进而影响电池性能和运行稳定性。因此，探究固体氧化物燃料电池镍基阳极积碳机理与改善方法具有重要的科学意义。基于近年来SOFC镍基阳极积碳过程的前沿研究，本文综述了SOFC镍基阳极积碳机理及各种积碳改善策略的最新研究进展，并从优化阳极材料组成和操作条件等方面归纳总结了几种SOFC阳极材料的研究现状和未来发展方向，以期为高性能SOFC阳极材料的开发提供有价值的参考。

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固体氧化物燃料电池双极板材料发展综述

韦守李, 李希超, 常修亮, 陈兵, 许卓, 张涛, 郑莉莉, 戴作强

2021 (6): 1943-1951. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0201

摘要 ( 600 )

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固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第三代燃料电池，以其能量转换效率高、燃料适用范围广、对环境友好、全固态等诸多优势而备受关注。双极板(又称连接体)作为固体氧化物燃料电池的重要组成部分之一，在SOFC电池堆中起到串并联单体电池并隔绝燃料气体与空气的作用，对电池性能及商用成本有很大影响。不同材料的双极板存在不同的性能问题，主要都集中在导电性能、抗氧化性能、化学稳定性及热膨胀系数是否匹配等方面。本文综述了传统陶瓷材料、合金材料、新型陶瓷材料、复合材料双极板的发展历程及最新研究进展，并着重介绍了组分优化设计及表面改性(涂覆活性氧化物涂层、稀土钙钛矿涂层及尖晶石涂层等)两种方式对于合金材料抑制镉元素向外扩散的能力、抗氧化性及导电性的改善。综合分析表明，通过组分优化设计和表面改性弥补合金作为双极板材料的性能缺陷，尝试制备新型陶瓷材料或复合材料等途径，有望获得高性能、低成本的双极板材料，从而实现SOFC的大规模商业化应用。

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3D打印技术在固体氧化物燃料电池领域的研究进展

郑丽娜, 王文中, 贾凯杰, 邱少峰, 朱浩源, 于方永, 孟秀霞, 张津津, 杨乃涛

2021 (6): 1952-1962. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0365

摘要 ( 333 )

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3D打印又称增材制造，是通过逐层打印来制造三维对象的过程，涉及机械、计算机、数控及材料等相关技术，被广泛应用于航空航天、生物医疗、电子、能源化工等行业。本文主要介绍了几种常用3D打印技术，重点阐述了其在固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极、阳极、电解质、电堆组件和电堆辅助系统制备中的应用。3D打印技术通过可控调节SOFC微观结构、比表面积和组分分布可提高SOFC单电池的电化学性能；通过一体化电堆支撑体结构设计有望改善电池堆内部传递行为，避免因大量接头和组装件的出现引起的材料性能不匹配问题，提高电池稳定性和寿命，简化和优化SOFC电堆制备工艺；3D打印在SOFC电堆辅助系统的设计和制备中也表现出独特的优势，在一体化制备电堆组件和电堆方面有很大潜力。本文还分析了目前3D打印技术在SOFC领域的技术挑战，并针对3D打印制备SOFC存在的问题和不足提出了建议，指出高分辨率微纳3D打印技术的研发，燃料电池浆料的创新与开发，以及混合式、多材料3D打印机的制造或将成为解决现有问题的重要方向。

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电化学氧还原反应合成H₂O₂碳基催化剂研究进展

何峰, 张静静, 陈奕君, 张建, 王得丽

2021 (6): 1963-1976. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0122

摘要 ( 393 )

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电化学氧还原反应(ORR)合成H₂O₂是一种低成本、无污染的绿色合成方法。但是，ORR动力学缓慢，存在四电子ORR生成H₂O的竞争反应，因此需要使用催化剂提升ORR的反应活性以及二电子ORR的选择性。近年来，碳基材料因价格便宜、来源广泛、调控方法多样，被广泛应用于该领域。本文首先简要介绍了电催化ORR合成H₂O₂的机理，并根据机理分析了影响电化学合成H₂O₂催化性能的关键因素。接着阐述了提升碳基ORR催化剂活性与二电子选择性的策略，并着重介绍了非金属原子掺杂碳材料和过渡金属氮碳材料。最后，总结了碳基催化剂在电化学合成H₂O₂中存在的问题和面临的挑战，对碳基催化剂在电合成H₂O₂中应用的发展趋势进行了展望。

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直接碳固体氧化物燃料电池研究进展：碳燃料和逆向Boudouard反应催化剂

吴玉玺, 韩婷婷, 解子恒, 李琳, 宋艳雯, 梁加仓, 张津津, 于方永, 杨乃涛

2021 (6): 1977-1986. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0359

摘要 ( 335 )

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直接碳固体氧化物燃料电池(direct carbon solid oxide fuel cells，DC-SOFCs)是一种能够将固体碳中的化学能直接转化为电能的新型能量转换装置，具有理论效率高、燃料来源广泛、成本低以及绿色环保等突出优势。根据DC-SOFC的工作原理，其运行过程是一个动力学控制步骤，即阳极侧CO的电化学氧化反应与碳燃料中逆向Boudouard反应的有效耦合保证了DC-SOFC的高效稳定运行。其中，速率相对较慢的逆向Boudouard反应是电池电化学性能的决定因素。因此，设计提高逆向Boudouard反应速率是促进DC-SOFC产业化进程的有效途径，也是发展趋势。国内外研究者采取了一系列措施来实现此目标，其中最简单有效的两种方法是：①在固体碳燃料中担载逆向Boudouard反应催化剂；②直接采用多孔结构且天然富含金属元素的生物质炭为燃料。基于近年来的前沿研究，本文综述了采用不同类型逆向Boudouard反应催化剂和碳燃料的DC-SOFCs最新研究进展，系统总结了DC-SOFCs的研究现状、面临的挑战和未来发展方向，以期为开发高性能、长寿命DC-SOFCs提供有价值的参考。

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燃料电池汽车地方政策研究

吴小员, 卢新宝, 董嘉璇, 汪茹

2021 (6): 1987-1997. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0455

摘要 ( 236 )

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在全球加快能源低碳转型、我国聚焦“碳达峰、碳中和”的大背景下，我国各地近年来密集出台燃料电池汽车政策，以抢占氢能发展先机，打造地方发展新动能。本文在总结我国燃料电池汽车总体概况与国家宏观政策的基础上，以燃料电池汽车产业发展与政策实施的关键目的地—城市为重点对象，研究地方燃料电池汽车政策准备度。选择了覆盖全国七大区域、最具代表性的20个燃料电池汽车发展城市；以“燃料电池汽车”为关键主题词，适当兼顾“氢能”与“燃料电池”，统计梳理了2018—2021年上半年的地方政策文本197个；利用层次分析法(AHP)、德尔菲法以及内容分析法等方法，构建了由规划目标、财税政策、非财税政策、合作机制4个维度，以及车辆推广目标等13个二级指标和应用领域等39个三级指标组成的燃料电池汽车城市政策准备度评价指标体系，建立评价模型并进行政策准备度测度。结果表明，我国城市燃料电池汽车政策总体准备度水平还不高，以目标规划引领、非财税政策替代财税政策为支撑、跨地区合作协同的地方政策体系已初步形成。通过分析城市之间在具体政策维度、指标方面的差异，总结了地区间政策不平衡的状况，指出了部分城市的政策亮点与不足，提出了因地制宜，以燃料电池汽车城市示范目标为引领，短期强化供给型政策、长期强化环境支撑型政策工具，并提前谋划后示范阶段燃料电池汽车可持续发展政策等优化燃料电池汽车地方政策的建议。

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质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成

练文超, 雷励斌, 梁波, 王超, 魏磊, 田志鹏, 刘建平, 杨华政, 梁家健, 施涛

2021 (6): 1998-2007. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0326

摘要 ( 527 )

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PDF(1518KB) ( 319 )

氨作为一种理想的储能材料和氢能源载体，其在质子导体固体氧化物电化学装置中的利用与合成可实现高效清洁的发电和储能。本文综述了质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成的实验和理论研究进展，在实验研究方面全面分析了电解质和氨电极材料的开发，在理论研究方面重点讨论了热力学-电化学模型和密度泛函理论(DFT)的研究概况。电解质的质子电导率和氨电极的催化活性是影响电化学装置性能的关键因素，因此开发高质子电导率的电解质和高催化活性的氨电极仍是主要的研究方向。热力学-电化学模型和基于DFT的理论研究可分别为电化学装置的结构设计/运行条件的优化和氨电极材料的开发提供有效指导和思路，但是对于更高层次(三维)的热力学-电化学模型理论研究和氨电极材料上氮气的电化学活化机理的研究仍需加强。最后总结指出了质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成的未来研究方向。

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析氢反应中氮掺杂石墨烯负载金属单/双原子催化活性起源

张诗诗, 秦棪阳, 苏亚琼

2021 (6): 2008-2012. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0393

摘要 ( 510 )

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电催化析氢反应(HER)是极具潜力的氢能转化手段，发展高性能、低成本的析氢催化剂是制氢技术的关键。本文选取了以过渡金属(Fe、Ni、Co)为活性中心、以氮掺杂石墨烯(N-graphene)为基底的单、双原子催化剂(SAC、DAC)，首先通过理论计算对其结构稳定性做出了讨论，证明了所选催化材料的可行性。然后，采用H吸附能为描述符，对催化剂的HER活性进行了分析讨论。结果表明CoN₄表现出最优异的HER活性，FeN₃、FeN₄、Fe₂N₆三种结构的Fe原子活性中心次之。最后，系统讨论了催化剂的电子结构，揭示了HER催化活性的来源。本文从理论计算角度对SAC、DAC的HER活性进行了对比，结果表明DAC具有较差的HER活性，SAC中CoN₄、FeN₃、FeN₄在HER中展现出优异的催化性能，可作为取代常用的贵金属(Pt/C)HER催化剂的理想选择。

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二元氧化物修饰催化剂的制备及其自增湿性能

张博雅, 刘柏鸿, 黎远航, 刘欣, 陈乾风, 侯三英

2021 (6): 2013-2019. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0386

摘要 ( 191 )

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利用锡硅二元氧化物分别采用前修饰法和后修饰法修饰Pt/C催化剂，制备得到两种复合催化剂，并用于阳极催化层制备膜电极(MEA)。首先，考察修饰方式对膜电极性能的影响。膜电极的电池性能测试表明，使用前修饰法制备的Pt/SnO₂-SiO₂/C复合催化剂表现出更优的电池性能：在电池温度为50 ℃、完全增湿条件下，0.6 V的电流密度高达1100 mA/cm²。同时该膜电极也显示出良好的自增湿性能和稳定性：在电池温度为50 ℃、完全不增湿(干气)条件下，0.6 V的电流密度为930 mA/cm²，且经过10 h稳定性测试后，性能仅降低13%，而空白膜电极在2 h内性能下降63%。进一步比较在不同相对湿度条件下的膜电极性能，结果表明该膜电极在相对湿度较低的条件下表现出优异的自增湿性能。根据实验数据，初步推测出一种使用Pt/SnO₂-SiO₂/C复合催化剂的膜电极的自增湿机理。

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固体氧化物电池Sr_2-_xFe_1.5Mo_0.5O_6-_δ氧电极材料的电化学性能

于旺, 孙超, 齐冀, 卞刘振, 彭继华, 彭军, 安胜利

2021 (6): 2020-2027. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0360

摘要 ( 197 )

HTML ( 36 )

PDF(2330KB) ( 242 )

本文系统研究了Sr缺位对Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-_δ氧电极材料晶体结构、电导率和电化学性能的影响规律。结果表明Sr缺位导致晶胞体积增大，降低了氧溢出的温度，增强了材料内部晶格氧的活性，Sr_1.95Fe_1.5Mo_0.5O_6-_δ材料具有最大的电导率为38.4 S/cm。Sr缺位提高了材料的氧还原反应活性，800 ℃时Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-_δ、Sr_1.95Fe_1.5Mo_0.5O_6-_δ、Sr_1.9Fe_1.5Mo_0.5O_6-_δ对称电池在空气下的极化电阻分别为0.102、0.070和0.096 Ω·cm²。燃料电池模式下，阳极支撑的NiO-YSZ(SL)/NiO-YSZ(FL)/YSZ/SDC/Sr_1.95Fe_1.5Mo_0.5O_6-_δ单电池在850、800、750和700 ℃下的峰值功率密度分别达到1459、953、682和420 mW/cm²。电解池模式下单电池在20%H₂O-H₂、800 ℃和1.5 V电压下的电流密度达到-1300 mA/cm²。同时电解池在800 ℃和-500 mA/cm²条件下稳定运行了100 h，单电池的衰减速率约为0.001 V/h，表现出良好的运行稳定性。

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二维碳载Au₄Pd₂催化剂的构建及其电催化性能

张申智, 王立开, 孙迎港, 吕恒, 杨子寅, 李磊磊, 李忠芳

2021 (6): 2028-2038. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0305

摘要 ( 224 )

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贵金属纳米团簇由于精确的结构和明确的化学组成而受到广泛的关注。该工作采用具有精准的颗粒大小和精确的结构双金属金属纳米团簇，研究其电子结构、几何结构对催化反应的影响，同时利用杂原子与主原子间的强电子耦合作用调控催化性能。首先制备4个金原子与2个钯原子组成的金钯纳米团簇，并分散至二维材料上得到单团簇分散的金钯基纳米复合材料催化剂；通过XPS测试可知，AuPd与载体之间存在较强的协同作用，有助于促进其氧还原(ORR)与析氢反应(HER)的稳定性；调节贵金属比例得到最佳比例的金钯催化剂，在0.1 mol/L KOH氧饱和电解液中，起始电位为0.95 V，半波电位为0.81 V，其ORR性能优于商业Pd/C。该催化剂也具有良好的HER性能，在0.5 mol/L H₂SO₄电解液中，电流密度为10 mA/cm²下的过电位为129 mV；利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)对催化剂结构进行表征分析，解释其结构与性能间的联系。优化贵金属团簇掺杂比例得到具有优异氧还原与析氢性能的双功能催化剂，为高效稳定的电催化剂的开发提供了新方向。

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整体煤气化固体氧化物燃料电池并网测试系统设计

李萍萍, 陈姗姗, 赵璐璐, 史明亮, 黄岩, 李初福

2021 (6): 2039-2045. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0100

摘要 ( 294 )

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整体煤气化固体氧化物燃料电池(integrated gasification solid oxide fuel cellI，IG-SOFC)发电系统，利用煤气化合成气作为SOFC燃料，可以实现煤发电的近零排放，是一种非常有前景的清洁煤电技术，尤其契合我国以煤为主的资源秉性。提出一种IG-SOFC并网发电测试系统设计方案，搭建了可实现“并网测试模式”及“并网发电模式”实时切换的SOFC并网发电系统测试平台。基于自主研发的5 kW级SOFC堆塔模块，在煤制合成气作为燃料的条件下进行了实验测试，以验证系统设计方案的可行性和有效性。根据实验测试结果，SOFC堆塔发电功率达到4.5 kW时，并网功率为4.25 kW，堆塔电效率55.1%，发电系统电效率为52.0%，逆变效率约为94.5%。最后，通过“并网测试”模式下168 h长周期测试，验证了系统长周期运行的稳定性。

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氢燃料汽车双向DC-DC变换器改进模型预测控制

刘偲艳, 胡毕华

2021 (6): 2046-2052. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0210

摘要 ( 435 )

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双向交错并联DC-DC(BDC)变换器是氢燃料电池汽车实现供电可靠性和能量回收的重要设备，采用传统控制方法时BDC变换器面临着响应速度慢、稳定性不高、输出电流纹波大等问题，针对上述问题，本文采用一种带约束条件改进模型预测电流控制方法。该策略针对BDC变换器两种不同工作模式分别建立其数学模型，基于矢量工作原理搭建BDC变换器不同工作模式改进电流预测模型；然后针对模型预测控制过程开关抖动频繁的问题，对成本函数进行优化设计，约束条件中加入控制变量增量；为解决输出电流纹波问题，改进模型预测控制策略通过在线计算开关占空比，得出矢量作用时间，设计成本函数实现控制目标；实验和仿真对比结果显示传统电流控制方法响应时间和电流纹波分别为0.1 s和5 A，改进MPC模型预测控制响应时间和电流纹波分别为0.02 s和1.5 A，实验和仿真对比结果表明带约束条件模型预测电流控制具有更好的动态响应和稳定性能，验证该算法的有效性。

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质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的神经网络预测模型

李志浩, 彭浩, 陈亚琴

2021 (6): 2053-2059. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0118

摘要 ( 178 )

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质子交换膜燃料电池膜电极组件表面的温度分布会影响质子交换膜燃料电池的性能、寿命和可靠性。为探究质子交换膜燃料电池传热规律，本文提出了一种基于神经网络的质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的预测模型。本研究选取径向基函数神经网络(RBF)和广义回归神经网络(GRNN)两种神经网络，以电流密度、温度点的位置作为网络输入，不同位置的温度作为网络输出，对平行流道质子交换膜燃料电池、蛇形流道质子交换膜燃料电池分别建立了神经网络预测模型。结果显示，RBF神经网络预测的均方根误差平均为0.464、平均绝对百分误差为1.179%，GRNN神经网络预测的均方根误差平均为0.7155、平均绝对百分误差为2.27%；相较于GRNN神经网络，RBF神经网络精度更高；基于RBF神经网络的平行流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与96%的实验值的相对误差在5%以内。基于RBF神经网络的蛇形流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与95%的实验值的相对误差在5%以内。

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碳化木耳多孔碳的制备及在硫正极中的应用

孙春水, 郭德才, 陈剑

2021 (6): 2060-2068. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0153

摘要 ( 267 )

HTML ( 61 )

PDF(8276KB) ( 240 )

以冷冻干燥的木耳为前体，在不同碳化温度下，制备了孔结构和表面化学性质可调的碳材料。测试结果表明，碳化温度在450～650 ℃时，所制备的碳材料含氧官能团丰富但缺乏孔道结构；而碳化温度在800～900 ℃时，所制备的碳材料富含微孔和介孔结构(795 m²/g)，但缺乏表面基团。将碳材料作为硫的载体制备碳硫复合材料。实验表明具有丰富微孔和小介孔结构的LD900材料，其微孔对含硫物种具有一定限制作用，使LD900-S呈现3个放电平台，由于微孔和小介孔在循环过程中易被阻塞，致使其循环稳定性较差。而富含极性含氧官能团的LD450材料，则对含硫物种表现出更强的化学吸附作用，所制备的LD450-S正极具有更优的循环稳定性和倍率性能，在0.1 C倍率下，100次循环后比容量仍有577 mA·h/g，在1 C倍率下仍有650 mA·h/g的放电比容量。

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聚偏氟乙烯/聚偏氟乙烯磺酸锂/锂盐复合固态电解质的制备及其性能

苏月, 刘旭华, 曾芳磊, 任玉荣, 林本才

2021 (6): 2069-2076. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0160

摘要 ( 424 )

HTML ( 50 )

PDF(3568KB) ( 289 )

以聚偏氟乙烯(PVDF)、氯磺酸和氢氧化锂等为原料制备了聚偏氟乙烯磺酸锂(SPVDFLi)，将SPVDFLi与PVDF复合制得单离子聚合物电解质(SIPE)。为进一步提高SIPE的电导率，向其添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)制备双盐型聚合物复合电解质(SPVDFLi/LiTFSI-y)，通过调控LiTFSI与聚合物的比例探究了双盐型聚合物电解质的电化学性能。结果表明：LiTFSI的添加有效提高了聚合物复合电解质的电导率。含40% LiTFSI的SPVDFLi/LiTFSI-40聚合物复合电解质室温电导率可达到1.41×10^-4 S/cm，锂离子迁移数为0.68，稳定电压可以达到4.84 V。组装的LiFePO₄/SPE/Li电池，0.2 C倍率下循环50圈后容量保持率为99.1%。该聚合物复合电解质有望用于制备高性能锂离子电池。

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PVDF-HFP基凝胶固态聚合物电解质的合成与锂离子电池性能

刘如亮, 高兴远, 尹伟, 杨乃涛

2021 (6): 2077-2081. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0166

摘要 ( 1071 )

HTML ( 98 )

PDF(3484KB) ( 836 )

聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)基凝胶聚合物电解质被认为是解决锂电安全性问题的一种有前途的固态电解质。然而，目前报道的是凝胶固态聚合物电解质由于含有大量易燃物质，安全性仍然无法保证。因此，本文合成制备基于PVDF-HFP的新型凝胶聚合物电解质，使用丁二腈(SN)作为塑化剂，双三氟甲基磺酰胺亚锂(LiTFSI)作为锂盐，利用热交联法原位制备了高热稳定性的新型凝胶固态聚合物电解质(GSPE)。优化后的凝胶聚合物电解质离子电导率在25 ℃时可高达3.7×10^-3 S/cm，电化学窗口室温下可达4.5 V。此外，凝胶聚合物电解质与电极具有良好的界面相容性；组装的磷酸铁锂电池在1 C下循环80次，容量保持率为89%。本项研究工作展示了高性能凝胶聚合物电解质对提升锂离子电池的循环稳定性与安全性具有较大潜在的应用价值。

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红柳基锂电池负极材料的制备及电化学性能

苏少鹏, 李进, 张佃平, 李严, 席文, 李杨

2021 (6): 2082-2089. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0170

摘要 ( 249 )

HTML ( 37 )

PDF(4035KB) ( 249 )

以中国西北地区特色植物红柳为碳源，经过干燥、热解和酸洗等处理，通过机械破碎的方法制得纳米碳颗粒(CRN)，以其为主要活性材料制备了锂电池硬碳负极并研究了电化学性能。利用X射线衍射仪(XRD)、激光显微拉曼光谱仪(Raman)以及扫描电镜(SEM)，分别对所制备CRN的物相结构、石墨化程度和表面形貌进行对比分析。采用恒流充放电对所制备的负极材料进行比容量、倍率和循环稳定性测试，使用电化学工作站(CHI660E)分析了负极材料的交流阻抗(EIS)和循环伏安(CV)。结果表明，干燥后的红柳经过500、600、700和800 ℃的低温热解和HCl酸洗处理后，低温热解温度为600 ℃时所制得的CRN循环稳定性、比容量和倍率性能最佳。本研究表明，以红柳为碳源制备的CRN完全可以用于锂电池负极材料。

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无溶剂制备锌空气电极及电池性能

胡铭昌, 周雪晴, 黄雪妍, 薛建军

2021 (6): 2090-2096. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0224

摘要 ( 276 )

HTML ( 30 )

PDF(3441KB) ( 230 )

锌空气电池具有高安全、大容量、低成本和低自放电等特性，因此获得广泛关注，尤其被广泛用作助听器电池。目前商业化空气电极的制作过程中，催化粉料的处理往往涉及湿法工艺，制造过程复杂，且烘干溶剂过程能源消耗大。利用转速为3000 r/min的高速切割机器进行造粒处理，过程中不使用溶剂，然后经过12目筛网进行过筛处理即得可自由流动的无溶剂处理催化粉料，借助扫描电子显微技术(SEM)进一步观察到催化粉料中大量黏结剂完全纤维化的现象，这种纤维束有利于维持住粉料与粉料之间的紧密结合状态。用自制对辊机器将上述催化粉料压成卷对卷的催化层，再把集流体镍网、防水透气膜与之辊压复合一起，即得无溶剂处理的商业化锌空气电极。作为对比，使用了传统湿法方式制作催化粉料和空气电极，发现无溶剂处理空气电极制得的电池容量高于传统湿法的5%。另外，研究了不同空气极片压实密度和厚度、不同的防水透气膜等对锌空气电池性能的影响，分析表明低密度1.15 g/cm³的空气电极拥有更好的容量储存性能，厚度为0.52 mm空气电极所制电池拥有更高的功率密度，纯聚四氟乙烯(PTFE)膜作为防水透气膜可使锌空气电池拥有更好的防漏液性能。综上所述，这种无溶剂制备空气电极工艺简单方便、环保节能，更适合金属空气电池的商业化应用。

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钒液流电池石墨毡电极的MWCNTs-COOH-NS修饰

李强, 王俊楠, 孙红

2021 (6): 2097-2105. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0183

摘要 ( 320 )

HTML ( 28 )

PDF(5353KB) ( 220 )

聚丙烯腈基石墨毡电极存在电化学活性低等问题，限制了全钒液流电池(VRFB)的发展。为提高VRFB正极侧电极性能表现，研究以硫脲为掺杂源，制备了氮硫共掺杂的羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH-NS)作为VRFB的催化剂。将MWCNTs-COOH-NS修饰到聚丙烯腈基石墨毡电极上，得到复合电极材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、比表面积测试(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、四探针电导率测试、循环伏安法(CV)、电化学阻抗分析法(EIS)及充-放电循环测试研究了复合电极的表面形态和电化学性能。结果表明，改性后的复合电极提高了比表面积，降低了电池内阻。当电流密度为80 mA/cm²时，电池的能量效率为81.70%，放电容量可以达到782.60 mA·h。在160 mA/cm²的条件下进行充放电测试，电池的能量效率仍可达到72.73%。MWCNTs-COOH-NS修饰的石墨毡电极对正极侧钒离子的氧化还原反应表现出了良好的催化活性和电化学可逆性，并且在充放电测试当中展现出了良好的循环稳定性。本研究有望在一定程度上推动VRFB电极催化剂的发展。

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电极结构对锂离子电容器电性能的影响

郭义敏, 郭德超, 张啟文, 龙超, 何凤荣

2021 (6): 2106-2111. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0168

摘要 ( 305 )

HTML ( 46 )

PDF(2249KB) ( 332 )

分别采用干法和湿法涂布工艺制备出活性炭正极和石墨负极，制作成066090型软包锂离子电容器(LIC)单体。采用恒流充放电嵌锂法对负极进行预锂化，理论嵌锂深度为85%。通过扫描电子显微镜(SEM)、剥离强度、电性能测试等表征方法，分析了干法和湿法涂布工艺对电极结构和形貌、黏结性能及电性能的影响。阐述了电极结构对软包LIC容量、内阻、耐久性、循环性能和低温性能的影响。结果表明，干法电极内有充分的黏结剂纤维结构，碳颗粒的接触紧密。干法电极的体积密度相比湿法涂布电极提高了8%以上，其剥离强度比湿法电极高50%以上。正极面密度/负极面密度为1时，在2.2～3.8 V的电压区间内，用干法电极组装的软包LIC的初始容量和内阻分别为645 F和25.5 mΩ，均高于用湿法电极组装的同类产品。用干法电极组装的软包LIC经1000 h耐久性测试后容量保持97%以上，经10万次循环充放电后容量保持88%，在-30 ℃下容量保持76%，均优于用湿法电极组装的同类产品。

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硬碳的预锂化及其电化学性能

赵清江, 张贵锋

2021 (6): 2112-2116. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0239

摘要 ( 340 )

HTML ( 59 )

PDF(1310KB) ( 446 )

以钛酸锂@活性炭复合材料作为正极，以商业化硬碳为负极同时将其与锂粉进行不同比例的复合，然后制备得到了预嵌锂硬碳//钛酸锂@活性炭锂离子电容器(LIC)。本工作通过对硬碳与锂粉进行不同比例的复合制备得到了多种预嵌锂硬碳极片，然后，通过对所制备得到的预嵌锂硬碳极片组装的LIC进行了一系列电化学性能测试，研究了硬碳极片的嵌锂量对LIC比能量和比功率的影响。结果表明：将硬碳与锂粉进行复合可以在不明显减小LIC比功率的同时，大幅提升LIC的比能量，其中当硬碳与锂粉的质量比为3∶1时所组装的LIC其能量密度最大可以达到29.69 W·h/kg，功率密度最大可以达到7.57 kW/kg，在电流密度为2 A/g时充放电循环2000次后容量保持率能够达到83.11%。

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固态电池复合电解质研究综述

许卓, 郑莉莉, 陈兵, 张涛, 常修亮, 韦守李, 戴作强

2021 (6): 2117-2126. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0178

摘要 ( 1330 )

HTML ( 154 )

PDF(8723KB) ( 1297 )

目前单一的无机固态电解质、聚合物固态电解质分别存在着离子电导率低、产生枝晶、界面不稳定等各种问题，无法满足全固态锂金属电池的性能要求。有机聚合物电解质和无机电解质复合形成的复合固态电解质能够不同程度地增强电导率、抑制枝晶产生、提高机械强度、提高界面稳定性以及兼容性等，得到了广泛关注与研究。本文综述了复合固态电解质在提高锂离子电导率、抑制锂枝晶、提高电化学稳定性三个重要方面的改进方向、措施，并展望复合固态电池的发展方向，为复合固态电池的发展和应用提供借鉴。

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钛铌氧化物用于锂离子电池负极的研究进展

孙德旺, 蒋必志, 袁涛, 郑时有

2021 (6): 2127-2143. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0137

摘要 ( 490 )

HTML ( 45 )

PDF(14076KB) ( 397 )

钛铌氧化物(TNO)负极材料因其具有较高的比容量、安全的嵌锂电位、快速嵌锂通道和稳定的嵌锂结构已成为当前高功率、长寿命锂离子动力电池负极首选材料之一。然而，其较低的电子电导率限制了TNO负极材料高倍率性能的发挥。本文通过对近期相关研究的探讨，综述了TNO的结构特点、制备方法及改性策略，着重讨论了几种不同Ti/Nb比例材料的晶体结构及其氧化还原与插层赝电容的协同嵌锂机制，阐明其快速导锂机理；同时介绍了固相反应法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、模板法和溶剂热法等几种TNO材料先进制备工艺及各自优势；重点分析了元素掺杂、缺陷设计以及与导电材料复合等改性方案对TNO电子传导特性的影响和对电化学性能的改善效果。最后，本文还对TNO作为负极材料在锂离子全电池和混合锂离子电容器两种储能体系中的研究现状、存在问题及应用前景进行了分析和阐述。综合分析表明，在TNO的改性方案中，元素掺杂和缺陷设计可以改变TNO的电子结构，导电材料复合结构设计可为其构建多维电子通路，而多种改性方案的迭代可明显提高TNO材料的倍率性能和循环稳定性，有望使其在高功率储能器件中获得良好应用。

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非金属阳离子水系二次电池研究进展

詹世英, 于东旭, 陈楠, 杜菲

2021 (6): 2144-2155. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0228

摘要 ( 333 )

HTML ( 36 )

PDF(11080KB) ( 163 )

水系电池以其安全性高、环境友好、离子导电率高等优点，在规模储能领域展现出良好的应用前景。电荷载流子是二次电池关键的组成部分，决定着电池的机制和性能。相较于被广泛研究的金属离子作为载流子的二次电池，以非金属阳离子，如NH₄⁺、H⁺、H₃O⁺，作为电荷传输载体的研究却相对较少。与金属离子作为载流子相比，非金属离子载流子通常具有更小的水合离子半径、更低的摩尔质量，因此往往展现出更高的扩散速率与较长的循环寿命，且其制造成本更为低廉。然而，开发适于储存非金属离子的电极材料仍面临诸多挑战。本文对近几年相关研究报道进行总结。首先，介绍并讨论了非金属离子与金属离子作为载流子之间的差异；随后，总结了基于质子、水合氢离子、铵根离子和其他非金属载流子水系电池的最新研究进展；重点分析了由非金属离子存储所诱发新的电池化学与反应机制。最后，综合分析，认为通过材料结构优化工程，并且扩大电解液的工作电压区间，是有效提升水系非金属离子电池性能的必要途径之一。

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生物高分子在锂离子电池硅负极中的研究进展

刘大进, 吴强, 何仁杰, 余创, 谢佳, 程时杰

2021 (6): 2156-2168. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0115

摘要 ( 506 )

HTML ( 40 )

PDF(7990KB) ( 271 )

硅因其超高的理论比容量，有望成为下一代高性能锂离子电池的负极材料。硅在充放电过程中的剧烈体积膨胀会引起颗粒粉化、SEI膜过量生长以及活性物质失去电接触等问题，最终导致容量快速衰减。开发新型硅负极黏结剂和硅碳复合是提升硅负极性能的重要策略。生物高分子材料成本低、环境友好且富含有机官能团，非常适合用来开发低成本、高性能硅负极黏结剂，也适合作为碳前体合成硅碳复合材料。本文综述了近年来基于生物高分子的硅负极黏结剂和以生物高分子为碳前体的硅碳复合材料的研究进展。本文重点介绍了基于海藻酸钠、壳聚糖、淀粉的硅负极黏结剂，总结出生物高分子基黏结剂的主要改性方法有接枝特殊官能团、与其他聚合物共混或交联。基于这些改性方法，可分别提升黏结剂的黏附性、导电子或离子能力以及实现3D网络结构的构建。本文重点归纳了以纤维素、壳聚糖、淀粉、木质素为碳前体的硅碳复合材料，分别介绍了这些复合材料的性质、结构特点，及其对电化学性能的影响。基于以上分析，本文也指出了当前基于生物高分子的硅负极黏结剂和以生物高分子为碳前体的硅碳复合材料的不足，为其下一步发展指明了方向。

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基于建筑能源系统的混合储能技术研究现状

夏阳, 金光, 张立, 刘智慧, 郭少朋

2021 (6): 2169-2180. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0215

摘要 ( 299 )

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PDF(3759KB) ( 416 )

由于用户负荷需求的多元化和不确定性，单一类型的储能技术已不能满足高品质的建筑供能需要。通过耦合不同类型储能设备，实现多能源协调互补的混合储能技术应运而生。本文在建筑能源应用背景下，首先介绍了混合储能技术的原理，从建筑用能需求角度梳理了混合储能技术的研究进程，指出了现阶段混合储能的主要研究方向。其次基于混合储能的几种常见匹配方式，综述了热能、燃气化学能和电能等多类型能源混合存储技术的应用现状，并根据典型案例介绍了相应混合储能的系统组成、运行策略和系统特点，说明建筑用户的多能用能需求如何得到满足。最后对混合储能系统性能和经济性情况进行分析，提出了评估混合储能系统性能的重要指标和影响其经济性的主要因素。

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一种基于区内电池共享模式的主动配电网-孤岛微网协同经济调度策略

陈彪, 俞伟, 方旭峰, 李豪鑫, 曹磊, 潘俊

2021 (6): 2181-2190. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0285

摘要 ( 227 )

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PDF(1950KB) ( 210 )

我国偏远地区通常采用主动配电网和孤岛微网相结合的方式供电。然而，当储能电池规模较小时，难以消解可再生能源出力随机性、波动性和反调峰特性影响，而规模较大时又影响经济性。另外，传统配网环网柜受五防联锁保护和备用间隔稀少等问题限制，无法为移动储能提供快速接入条件。近些年带支线快速插接功能新型开关设备为移动式储能的利用提供了物理基础。为此，本文提出一种基于区内电池共享模式的主动网-孤岛微网协同经济调度策略。首先，提出使用卡车转移区内电池、实现储能分时复用的构想，利用新型节点柜的快速插接功能，建立了车-储动态关联的时空转移模型。在此基础上，将调度周期扩展为48小时，并引入分布鲁棒优化评估可再生能源发电的不确定性，构建了主动配电网-微电网协同最优潮流模型。最后，基于IEEE 14节点的配电网和典型微网的算例表明，所提策略能够显著降低电网的运行成本，提高可再生能源和储能的利用率。本文为配电网和孤岛微网的经济运行提供了一个崭新的视角。

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锂离子电池热失控仿真研究进展

常修亮, 郑莉莉, 韦守李, 张涛, 陈兵, 许卓, 戴作强

2021 (6): 2191-2199. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0191

摘要 ( 892 )

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PDF(3542KB) ( 1112 )

锂离子电池作为常见的储能和动力装置在生产生活中得到了广泛应用，但其在滥用条件下会引发热失控，对其安全性的研究很有必要。热失控仿真因其独有的优势，成为研究锂离子电池热失控的重要手段。本文通过对近期文献的研究，从热失控仿真、热蔓延仿真以及热失控仿真的应用三个方面对热失控仿真的研究现状进行了总结。着重介绍了不同诱因(热滥用、机械滥用和电滥用)导致热失控的产热机理和仿真方法，电池组内热蔓延仿真的研究现状和如何抑制热蔓延以及对热失控预测方法的研究。当前的热失控模型已经具有较好的精确度，可以模拟出电池发生热失控时主要的放热副反应，但电池内部十分复杂，混合了化学反应和物理变化，相关参数难以测量和计算，因此锂离子电池热失控仿真还需进一步研究。

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基于改进K-means和MADDPG算法的风储联合系统日前优化调度方法

蔡新雷, 崔艳林, 董锴, 孟子杰, 潘远, 喻振帆, 王吉兴, 孟乡占, 余洋

2021 (6): 2200-2208. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0282

摘要 ( 339 )

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PDF(1202KB) ( 197 )

风储联合运行可有效地应对风电出力的不确定性，提高风电竞争力，然而储能与风电联合运行的优化调度问题是一大难点。为保证储能可调控容量的基础上实现风储联合运行收益最大化，提出了基于改进K-means和多智能体深度确定性策略梯度(MADDPG)算法的风储联合系统日前优化调度方法。首先，根据储能特性和运行状态采用萤火虫优化的改进K-means聚类算法实现储能分组；然后，将风电与分组后的储能设备建模为不同的智能体，组成多智能体系统，采用MADDPG算法求解，设计了MADDPG算法的状态空间、动作空间和奖励函数；最后，对算法进行了算例仿真验证。结果表明，所提调度策略能够较好协调风电和储能运行，有效平抑了风电出力波动，与常规深度强化学习相比，提高了风储联合系统的运行收益。

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基于储能的无功补偿技术综述

叶晖, 李爱魁, 张忠

2021 (6): 2209-2217. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0197

摘要 ( 967 )

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基于无功补偿的无功功率实时平衡是电力系统安全稳定运行的重要保障。储能变流器具有四象限运行功能，可同时输出或吸收无功及有功功率，具有调频调压功能。基于储能的无功补偿技术具有响应速度快，连续可调、规模可控等优点，适用于高比例新能源和高电力电子化的新型电力系统。本文基于储能无功补偿原理，介绍了多种拓扑结构储能变流器的无功控制策略、串并联模块化放大以及中高压级联技术等研究进展。按照储能类型和应用场景，综述了储能以及储能混合无功补偿技术的发展进程及趋势，早期储能无功补偿主要采用超导储能、超级电容器及飞轮储能等短时间尺度的储能技术，电池储能技术的发展使其在电网调压、黑启动等无功补偿领域具有应用前景。基于经济性考虑，储能与STATCOM、新能源机组协同运行实现有功无功联合调压，保障系统电压水平，改善电能质量。新能源为主的新型电力系统给予储能无功补偿技术更重要的角色。储能、新能源机组及无功补偿装置的暂态稳态协同控制是未来新能源场站无功补偿主要形态。储能与其他无功源之间的协调控制策略以及联合规划问题的求解与优化都将是储能无功补偿技术的研究重点。

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电动汽车大功率充电过程动力电池充电策略与热管理技术综述

吴晓刚, 崔智昊, 孙一钊, 张锟, 杜玖玉

2021 (6): 2218-2234. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0267

摘要 ( 360 )

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为实现“双碳”目标，电动汽车成为了交通工具转型的重要途径。但由于充电速度影响电动汽车用户体验，一定程度上制约了电动汽车的推广应用，为此，发展大功率充电是提升电动汽车市场渗入率的重要技术途径。然而，由于大功率充电带来的动力电池加速老化以及快速产热导致的动力电池组温度分布不一致性等问题，给电动汽车快速充电策略的制定和热管理系统的设计带来了新的挑战。本文从电动汽车大功率充电策略优化和电池组热管理系统设计两个角度，归纳了目前面向电动汽车大功率充电过程的管理技术研究现状。围绕大功率充电方式对动力电池性能的影响，评价了不同充电策略和热管理系统设计方法的优缺点。在此基础上，重点分析了电动汽车大功率充电策略及热管理技术发展中面临的挑战。

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计及微网储能系统多尺度不确定性容量协调优化

卢颖辉

2021 (6): 2235-2243. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0152

摘要 ( 174 )

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微网系统中的分布式电源和负荷需求的随机问题促使微网储能容量决策成为一个研究的热点话题。本文提出了多时间尺度下微网系统中源-荷的随机性和预测出力偏差的不确定性的储能容量优化方法。利用该方法建立了系统能量平衡关系和鲁棒性经济协调指标，刻画出了储能系统容量优化方法和微网随机因子间的定量关系，并兼顾微网运行经济性的目标。结合分层理论建立了含分布式电源的微网储能容量的双层优化模型，并采用多目标粒子群算法对本文的优化模型进行求解。仿真结果表明，所提方法能够保证储能系统容量优化配置，同时能获得良好的经济效益。

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基于概率潮流的光伏电站中储能系统的优化配置方法

张德隆, MUBAARAK Saif, 蒋思宇, 王龙泽, 刘金鑫, 陈永聪, 李美成

2021 (6): 2244-2251. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0151

摘要 ( 257 )

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高比例光伏发电接入会对电力系统的稳定性等造成不利影响，而储能则被认为是消除这些影响的有效手段之一。本文从电力系统潮流的角度，分析了光伏发电对电力系统的影响，进而分析了储能对抑制这种影响的作用。首先，介绍了电力系统中元件的概率分布模型和储能模型，以及拉丁超立方采样法及Gram-Schmidt序列正交化方法；其次，建立了多目标优化模型，模型考虑了储能系统的成本、支路潮流的越限概率和电网的网络损耗，并用遗传算法求取目标函数的最优解；最后，在IEEE24节点测试系统中进行了仿真，分析了光伏不同接入容量和接入位置对电力系统的影响，储能对电力系统的作用，得出了对应不同光伏容量的储能最优配置。

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基于临界换热系数与干预时间的车用锂电池热设计及运行策略

许国良, 张玉洁, 黄晓明, 何锐

2021 (6): 2252-2259. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0185

摘要 ( 162 )

HTML ( 18 )

PDF(2063KB) ( 184 )

针对车用锂电池在高倍率放电情况下的热管理问题开展研究。基于电池生热量和散热量匹配的热管理理念，创新性地提出了确保电池热安全运行的临界换热系数h_cr，并基于单电池的热电耦合模型发展了一种确定临界换热系数的数值分析方法。对极端工况下的18650锂电池进行临界换热系数的数值研究，发现放电倍率和换热环境温度是其主要影响因素。换热环境温度和放电倍率增加，临界换热系数会急剧增加。为了进一步提高电池的热安全运行能力，针对h<h_cr的工作状况，提出了基于干预时间 $τ i n t v$ 的热管理运行策略，并详细讨论了干预时间 $τ i n t v$ 的数值确定方法和影响因素。数值结果显示，在干预时间内对锂电池实现降倍率运行等措施，可以有效地将电池温度控制在安全范围内。进一步研究还发现，给定h的锂电池干预时间受放电倍率、环境温度等因素的影响较大。本文的工作对车用锂电池热管理系统的设计以及运行管理有着良好的理论指导意义。

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正弦脉动电流充放电下的锂离子电池发热特性

贾增昂, 凌志斌, 李旭光

2021 (6): 2260-2268. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0196

摘要 ( 276 )

HTML ( 27 )

PDF(2831KB) ( 219 )

在级联H桥储能系统和模块化多电平储能系统中，电池的实际充放电电流为正弦交流和恒定直流的叠加，形成正弦脉动电流。本研究利用一维电化学模型，通过正弦脉动电流和恒定直流充放电下的电池发热特性的对比，对正弦脉动充放电电流下的LiFePO₄电池的发热特性进行研究。研究结果表明正弦脉动电流下的电池瞬态热功率和瞬态内阻均随电流发生周期性波动；当正弦交流成分的波动幅值为直流成分的25%时，相对于纯直流充放电，放电和充电过程仅分别造成5%和2.8%的额外发热，但当正弦交流成分的波动幅值进一步增大，电池发热则会急剧增加；从SOC中间值到两端，电池压降和电流的相位差逐渐增大，即电池容性作用呈增大趋势；随着电流脉动频率增大，电池发热呈减小趋势。

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服役工况下车用锂离子动力电池散热方法综述

刘霏霏, 鲍荣清, 程贤福, 李骏, 秦武, 杨超峰

2021 (6): 2269-2282. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0156

摘要 ( 379 )

HTML ( 42 )

PDF(5063KB) ( 587 )

随着电动汽车的广泛使用，锂离子动力电池俨然成为纯电动汽车首选的动力来源，然而其热安全性问题也日益突出。基于此，本文针对车用锂离子动力电池在服役工况下尤其高温时存在的安全性差、工作不可靠及循环寿命短等热问题，根据电池的动态散热特性着重介绍了车用锂离子动力电池常用的冷却方法，包括空冷散热、液冷散热、相变材料冷却、热管冷却和耦合散热，说明了集多种冷却方式耦合的热管理系统与单一散热方法相比不仅能提高散热效率，还可以改善电池的均温性。并结合上述散热方法的研究进展及关键技术，主要在空冷通道优化、液冷结构设计及冷却液介质分析、相变材料应用特性、热管的冷却特性及热特性等方面进行了具体综述。最后，针对目前常用的动力电池散热方法中存在的问题提出了合理化建议，展望了电池热管理系统与汽车乘员热舒适性、电动机舱热管理及车辆热环境相耦合，形成整车热管理系统的开发，以期为电池热管理系统设计开发等相关领域的研究提供一定参考。

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基于多分支拓扑的梯次利用储能系统电池同期退役协同控制策略

郑永强, 吴越, 张盼盼, 雷博, 郑耀东

2021 (6): 2283-2292. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0095

摘要 ( 308 )

HTML ( 32 )

PDF(1831KB) ( 231 )

针对退役动力电池储能系统中不同电池簇间的同期退役问题，提出了一种基于多分支拓扑的同期退役协同控制策略。该策略针对不同时段的功率需求，根据储能系统中电池健康状态(SOH)的失衡度，首先选择电池健康状态较好的电池簇优先出力或者使所有电池簇共同出力的模式，并根据电池簇荷电状态(SOC)分布情况，采用基于实时可变电流作为正反馈调节值的控制策略，实现储能系统中各电池簇间协同控制与平衡出力。经过多次充/放电过程，各电池簇的健康状态(SOH)将渐进趋于一致，进而实现不同电池簇同期退役的目的。最后，通过MATLAB软件进行仿真分析，验证了该策略可以使储能系统中各退役动力电池簇实现同期退役。

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大容量电池储能的本质安全探索

张添奥, 刘昊, 陈永翀, 王青松, 张淑兴, 曾其权

2021 (6): 2293-2302. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0145

摘要 ( 483 )

HTML ( 84 )

PDF(2116KB) ( 470 )

伴随着大型电化学储能项目的大量投产，如何保证大容量储能电池的本质安全成为亟待解决的问题。本文回顾了本质安全概念的演变，介绍了本质安全的内涵。参考煤矿行业本质安全型蓄电池的设计规范，提出了电池储能本质安全分级方案，将电池储能安全等级分为本质安全、非本质安全以及不安全三类。针对储能电池以模组和集装箱形式运行的现状，根据不同的组成形式，将电池储能的本质安全区分为电芯、模组以及集装箱系统三个层面的理解，并分别对其本质安全性进行论述。针对储能电池电芯的本质安全梳理了不同方向的技术路线，围绕水系电池、固态电池和安全剂注入三种技术路线，对其研究与应用进展进行深入探讨，并提出了不同技术路线面临的本质安全挑战，展望了未来大容量储能电池的本质安全应用前景。

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翅片参数与PCM材料对散热器传热影响实验研究

吴炜, 李守成, 谢纬安

2021 (6): 2303-2311. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0426

摘要 ( 285 )

HTML ( 32 )

PDF(5270KB) ( 191 )

为了研究翅片数量、倾斜角度及相变材料对带有纵向翅片的电源散热器传热性能的影响，在恒定热负荷为16 W的条件对含相变材料和不含相变材料两类工况下的5种不同结构散热器进行了实验研究。通过搭建的由实验段、直流电源、数据采集设备等组成的实验系统开展实验，分析了翅片数量(1～5片)、散热器倾角(0°～90°)和相变材料(正二十烷)对散热器传热性能的具体影响，并通过含相变材料散热器的温升变化特征以及相变传热特征对散热器热性能进行了评估。结果表明，倾斜角度和翅片数对液相相变材料对流单元的形成以及传热和运行时间起着关键作用。对于0°倾角的含相变材料散热器，相比1个翅片，5个翅片达到最大允许温度所需的时间增加了80%，而当倾角增加到90°时翅片数的增加对时间的影响不显著。对于所有的倾斜角度，各个测点的相变材料(PCM)温度值都随着翅片数的增加而减小。当倾角增加时，由于浮力诱导流的增强促使对流液相相变区域变大；在单翅片工况下，60°倾角相比0°倾角状态下的工作时间延长78.6%。

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基于在线参数辨识和改进2RC-PNGV模型的锂离子电池建模与SOC估算研究

刘雨洋, 王顺利, 谢滟馨, 吉伟康, 张一兴

2021 (6): 2312-2317. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0220

摘要 ( 366 )

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PDF(1599KB) ( 313 )

锂电池荷电状态（state of charge，SOC）的准确估计对电池安全监测与能量的高效利用具有重要意义。提出一种新的验证模型，首先对电池新一代汽车合作伙伴（PNGV）模型进行改进，考虑电池充放电的差异，加入了二极管电阻的并联网络来代替传统PNGV模型的内阻，在此基础上，增加了一个RC的并联网络来表征电池的动静态特性。以三元锂电池为研究对象，通过遗忘因子最小二乘法（forgetting factor recursive least square，FFRLS）对改进模型进行在线参数辨识，并提出了主充电、放电实验对锂电池工作特性进行仿真分析，通过FFRLS-EKF算法在DST工况下对SOC进行估算。实验结果表明，改进的2RC-PNGV模型能够较好地反映锂电池工作特性，HPPC实验的平均电压误差为0.17%，模型具有较高的精度。主充电过程SOC平均估算误差为0.957%，最大估算误差为5.03%；主放电过程SOC平均估算误差为0.807%，最大估算误差为3.38%，表明改进的2RC-PNGV模型与联合估计算法均可用于SOC实际估算。

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基于加权多新息AEKF的锂电池SOC在线估算

乔家璐, 王顺利, 于春梅, 史卫豪, 杨潇

2021 (6): 2318-2325. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0242

摘要 ( 242 )

HTML ( 26 )

PDF(2905KB) ( 152 )

为实现大功率锂离子电池荷电状态的实时准确估算，以三元锂离子电池为研究对象，提出了一种加权多新息理论与自适应扩展卡尔曼滤波相结合的算法。利用多个时刻的残差和卡尔曼增益对估计值进行校正，并根据所包含的信息量为每个残差配置不同的权重。通过对系统噪声协方差和误差协方差的实时更新，自适应地调节和修正当前估计值。为验证算法合理性，采用二阶RC等效电路模型来表征电池动态特性，并在不同工况下进行实验验证。实验结果表明，在DST和BBDST工况下的估算均方根误差分别为1.31%和1.23%，验证了所提出算法具有良好的精度和收敛性。加权多新息自适应扩展卡尔曼滤波算法为锂电池的精确状态估算和广泛应用提供了理论基础。

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基于注意力改进BiGRU的锂离子电池健康状态估计

王凡, 史永胜, 刘博亲, 左玉洁, 符政, ALI Jamsher

2021 (6): 2326-2333. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0099

摘要 ( 451 )

HTML ( 25 )

PDF(2212KB) ( 412 )

锂离子电池的健康状态(state of health， SOH)是电池管理系统的核心问题，对其精确的评估能够保障电池的安全可靠运行。然而在实际应用中，容量较难直接测得，导致SOH估算困难。为了获得准确的SOH，本文提出一种基于注意力改进双向门控循环单元(BiGRU)的锂离子电池SOH估计方法。首先提取电池充放电曲线中的电压、电流与阻抗等参数，通过自编码器(auto encoder, AE)对其降维，提取特征量并减少数据间的冗余性。其次，引入注意力机制(attention mechanism， AM)对输入变量分配权重，突出对SOH估计起到关键作用的特征量。最后，利用BiGRU学习输入变量与容量之间的映射关系，捕获容量衰减下的长期依赖性。在不同充电倍率的电池数据集上的结果表明，该方法对不同类型电池的SOH皆可以实现高精度估计，均方根误差在1.1%以下。

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基于BCRLS-ACKF的锂离子电池荷电状态估计

苏航, 高怀斌, 李争光, 李洪峻, 刘剑飞, 佐晓波, 纪林林

2021 (6): 2334-2341. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0205

摘要 ( 264 )

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PDF(3097KB) ( 189 )

精确的锂离子电池荷电状态(state of charge，SOC)估计对于电池管理系统至关重要。模型参数辨识是SOC估计的前提，也是影响其估计精度的关键因素。为了有效避免噪声对参数辨识的影响，采用偏差补偿递推最小二乘法(BCRLS)进行在线参数辨识。在此基础上，采用自适应容积卡尔曼滤波(ACKF)算法估计电池SOC，对系统噪声进行实时更新以提高估计精度。此外，对于计算过程中由于协方差矩阵失去正定性而出现平方根无法分解的问题，利用奇异值分解的方法代替Cholesky分解，以提高数值计算的稳定性。最后将BCRLS与ACKF相结合以实现模型参数和SOC的联合估计，并在不同工况和初始值不精确的情况下进行算法验证，结果表明本文所提算法具有较高的精度，平均绝对误差在2%以内。

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基于IBAS-NARX神经网络的锂电池荷电状态估计

曹新宇, 彭飞, 李立伟, 尹建光

2021 (6): 2342-2351. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0291

摘要 ( 227 )

HTML ( 19 )

PDF(4025KB) ( 166 )

在使用神经网络方法估计锂电池荷电状态时，传统荷电状态适应度评价函数存在仅考虑均方误差等网络权值参数的缺点，忽略了拓扑参数对模型的影响。故本文提出在适应度评价函数设计中综合考虑输入/输出时序相关性、隐层神经元数量等模型拓扑参数和网络权值参数的加权影响，并将其引入带外部输入非线性自回归神经网络建模方法的锂电池荷电状态估计中，进而基于改进天牛须搜索算法实现了上述模型拓扑参数与网络权值参数的协同辨识优化。仿真结果表明，本文所提出方法能够提高多种复杂工况下的锂电池荷电状态估计精度，在DST标准工况和WLTC标准工况下锂电池荷电状态的均方根误差分别达到3.38×10^-3和8.75×10^-4，相比于未经改进的天牛须搜索算法优化NARX神经网络在均方根误差上估计精度分别提升了42.4%和20.5%。

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基于并行卡尔曼滤波器的锂离子电池荷电状态估计

朱奕楠, 吕桃林, 赵芝芸, 杨文

2021 (6): 2352-2362. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0169

摘要 ( 330 )

HTML ( 23 )

PDF(1353KB) ( 369 )

针对新能源电动汽车的电量显示与安全管理问题，对其锂离子电池的荷电状态展开研究，提出了基于并行卡尔曼滤波器的全寿命下的电池荷电状态(state of charge，SOC)估计算法。建立了电池Thevenin一阶RC等效电路模型，通过开路实验的数据处理获取静态OCV-SOC关系表达式，并利用具有动态遗忘因子的最小二乘法对模型参数进行了辨识。以安时积分法为状态传递方程，在扩展卡尔曼滤波的基础上利用最大似然估计准则使模型噪声协方差具有自学习能力。考虑模型参数随电池寿命衰减而改变的问题设计并行结构的滤波器来分别进行电池状态估计和参数修正，保证了数据传递中的纯洁性和独立性，从而实现了全寿命下的SOC估计。经过仿真实验验证算法的快速收敛性与实时性，估计精度在2%以内。

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全钒液流电池储能仿真模型及荷电状态监测方法研究

谢克桓, 李传常, 陈荐, 余龙海, 谭准, 秦位海

2021 (6): 2363-2372. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0207

摘要 ( 318 )

HTML ( 30 )

PDF(2820KB) ( 351 )

作为电化学储能技术之一的全钒液流电池(VRB)，因其具有寿命长、安全性高、布置灵活等特点，是未来最有潜力实现长寿命、低成本的大规模储能技术。本文总结了电路模型和电化学模型两类全钒液流电池储能仿真模型：电路模型多是以固定的电路元件模拟电池回路串并联而成，电化学模型则是描述电池内部参数变化的数学模型。同时，本文总结了全钒液流电池常用的荷电状态(SOC)监测方法：开路电压法、电流积分法与卡尔曼滤波算法的基本原理及使用方法。SOC监测方法是对部分仿真模型的补充，以期构建更为完善的全钒液流电池储能系统。

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基于差分电压和Elman神经网络的锂离子电池RUL预测方法

李练兵, 李思佳, 李洁, 孙坤, 王正平, 杨海跃, 高冰, 杨少波

2021 (6): 2373-2384. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0158

摘要 ( 379 )

HTML ( 28 )

PDF(3482KB) ( 297 )

锂离子电池剩余使用寿命(remaining useful life，RUL)预测对电池的使用维护极为重要，提出一种基于差分电压和Elman神经网络预测锂离子电池RUL的方法。首先，根据美国国家航天航空局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的锂离子电池数据集，分析电池差分电压曲线和充放电曲线，提取电池容量退化特征量；其次，通过Pearson法分析特征量之间的相关性，将充电差分电压曲线初始拐点值、放电差分电压曲线峰值、放电时间、静置时间作为电池RUL预测的间接健康因子；最后，建立以上述间接健康因子为输入，电池容量为输出的Elman神经网络，进行锂离子电池的RUL预测。基于不同间接健康因子和不同神经网络的四种电池容量预测对比实验表明，在间接健康因子中加入充电差分电压曲线初始拐点值和放电差分电压曲线峰值可以提高电池寿命预测精度，Elman神经网络可准确预测电池容量。基于不同循环次数预测电池RUL，预测的平均均方根误差为1.55%。

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跨季节蓄冷技术及在设施农业应用的经济性分析

傅德坤, 宋文吉, 陈明彪, 冯自平

2021 (6): 2385-2391. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0308

摘要 ( 206 )

HTML ( 24 )

PDF(1615KB) ( 237 )

为明确跨季节蓄冷技术在设施农业应用场景下的技术经济性，选取济南地区某日光温室群为研究对象，采用以冰源热泵为核心的跨季节蓄冷系统实现温室群的全年冷热管理，建立系统的蓄冷量损失模型和节能、经济、环境效益评价模型，对系统蓄冷量、一次能源利用率、费用年值、动态投资回收期及污染物减排量进行分析，并同其他热泵系统和锅炉系统进行比较。结果表明：跨季节蓄冷体的全年冷量损失在5%以内，最大蓄冷量为170409.07 GJ，至全年结束仍有14509.47 GJ剩余，系统可满足温室群全年供冷供热需求；系统的供冷一次能源利用率为6.27，全年一次能源利用率为1.71，跨季节蓄冷技术的应用大幅提升系统能效，节能效果优越；系统运行费用极低，费用年值最低，动态投资回收期为3.9～6.9年，经济可行性良好；系统较空气源热泵每年可减少13897.90 t CO₂、3.61 t SO₂、7.16 t NO_x和1.41 t烟尘排放，减排率高达77.3%，跨季节蓄冷技术的应用显著减少温室气体及污染物的排放，环境效益显著。

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天然气发电与电池储能调峰政策及经济性对比

朱寰, 刘国静, 张兴, 岳芬, 俞振华

2021 (6): 2392-2402. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0263

摘要 ( 385 )

HTML ( 33 )

PDF(1136KB) ( 361 )

构建以新能源为主体的新型电力系统，意味着风电和光伏将成为未来电力系统的主体。新能源发电固有的随机性、间歇性、波动性使调峰问题日益突出。燃气电站和电化学储能由于可调范围大、响应速度快，未来有望成为重要的调峰资源。首先，梳理了各省天然气发电调峰、储能调峰相关政策和市场规则，从准入门槛、参与方式、申报价格等方面进行了对比分析；然后，基于平准化电力成本(LCOE)概念，详细分析了包含初始投资、运维检修、燃料成本在内的天然气发电调峰电站、储能电站成本构成；最后，以某省为例，对比燃气发电调峰和储能调峰经济性，定量分析了初始投资、利用小时数、燃料/充电成本等因素对平准化电力成本的影响。通过对比得出，随着成本的不断下降，未来在短时调峰方面，电池储能将比燃气发电调峰更有竞争力。

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基于液化空气储能的综合能源系统经济性分析

韦古强, 胡从川, 刘乙学, 崔双双, 李红

2021 (6): 2403-2410. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0211

摘要 ( 292 )

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PDF(1106KB) ( 201 )

以园区为研究背景，基于“以热定电”、“以电定热”两种模式，对园区内的综合能源系统进行研究。针对夏季、冬季两个典型日设计了八种方案来对比系统配置液化空气储能与未配置液化空气储能时各子系统输出功率及总成本的变化。结果表明，在园区配置液化空气储能，采用“以热定电”模式运行时经济效益最高且能源损耗量最少。在大暑日，其总成本比未配置液化空气储能的系统降低6.1%。在大寒日，其总成本比未配置液化空气储能的系统总成本降低4.5%。同样配置液化空气储能的情况下，采用“以热定电”模式运行的系统要比“以电定热”模式总成本低。在大暑日总成本降低9.5%，在大寒日，总成本降低4.5%。

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锂电池百篇论文点评（2021.8.1—2021.9.30）

季洪祥, 金周, 田孟羽, 武怿达, 詹元杰, 田丰, 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

2021 (6): 2411-2427. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0550

摘要 ( 457 )

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PDF(940KB) ( 999 )

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述，以“lithium”和“battery”为关键词检索了Web of Science从2021年8月1日至2021年9月30日上线的锂电池研究论文，共有4209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、高电压钴酸锂和富锂锰基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。金属锂负极的研究侧重于表面修饰，改变锂沉积方向。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。电解液和添加剂的研究主要侧重于不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配，以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多地集中于界面问题的研究。锂硫电池的研究重点是提高硫正极的活性，改善“穿梭”效应。测试表征方面偏重于对材料体相结构和电极/电解质界面等进行观测和分析，固态电池的界面问题研究是热点。理论计算对材料的表面氧活性、界面结构及锂离子的输运机制进行了探讨，而界面反应涉及到了SEI形成的分析。此外，集流体的改性以及电极预锂化研究工作也有多篇。

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储能设备在健身场地中的应用现状

张忠子

2021 (6): 2428-2429.

摘要 ( 88 )

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PDF(276KB) ( 118 )

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我国储能技术发展的市场机制和商业运行模式探索研究

木薇, 郭玉侠, 朱娟

2021 (6): 2430-2431.

摘要 ( 100 )

HTML ( 65 )

PDF(284KB) ( 281 )

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