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    2022年, 第11卷, 第9期 刊出日期:2022-09-05 上一期   
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    本期栏目: 创刊十周年专刊  热点点评 
    本期中英文目录
    2022 (9):  0. 
    摘要 ( 113 )   PDF(2319KB) ( 310 )  
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    主编寄语
    黄学杰
    2022 (9):  1. 
    摘要 ( 139 )   PDF(16758KB) ( 218 )  
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    题词·贺诗
    本刊编委会
    2022 (9):  2. 
    摘要 ( 108 )   PDF(10251KB) ( 131 )  
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    创刊十周年专刊
    蓄势赋能谋发展,勇毅笃行谱新篇
    李泓, 张强
    2022 (9):  2691-2701.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0412
    摘要 ( 430 )   HTML ( 138 )   PDF(2357KB) ( 398 )  

    储能是发展以新能源为主体的新型电力系统,支撑能源革命,实现我国能源结构转型和能源供给安全的关键技术。“十三五”期间,通过国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项的支持,取得了一些重大研究成果,支撑了我国储能技术的进步和一批重要示范项目的发展。“十四五”国家将通过“储能与智能电网技术”重点专项进一步支持储能基础科学与关键技术的发展。本工作总结回顾了2016—2020年储能专项取得的主要成果,并介绍了我国“十四五”重点研发计划储能方向的布局安排和主要目标。

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    我国储能示范工程领域十年(20122022)回顾
    李相俊, 官亦标, 胡娟, 来小康
    2022 (9):  2702-2712.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0381
    摘要 ( 391 )   HTML ( 144 )   PDF(916KB) ( 527 )  

    过去十年来,随着新能源大规模接入电网,对电力系统的安全稳定运行带来了挑战。新型储能作为灵活调节资源,可为新能源消纳、电网安全运行与控制能力提升提供支撑。因此,这十年来其技术发展迅猛,已逐步实现了兆瓦级至百兆瓦级不同规模的电站化系统集成与推广应用。在此过程中,大容量集中式储能电站以及分布式储能的广域协同聚合是规模化新型储能系统的两种应用模式。本文主要聚焦规模化新型储能在电源侧和电网侧的应用场景,从工程应用、检测评价、标准制定等三个方面对新型储能的研究进展做了回顾,论述了过去10年来的技术发展规律、阶段性成果以及里程碑事件,剖析了现存问题及其原因等。最后,针对新型储能系统的应用工程、检测评价、标准制定,对其未来重点攻关方向、机遇与挑战等提出了展望,以期为新型储能系统的规模化应用、标准化管理、智能化运行、安全质量提升等提供借鉴。

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    固态锂电池十年(2011—2021)回顾与展望
    吴敬华, 杨菁, 刘高瞻, 王脂胭, 张秩华, 俞海龙, 姚霞银, 黄学杰
    2022 (9):  2713-2745.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0309
    摘要 ( 1298 )   HTML ( 284 )   PDF(16864KB) ( 1680 )  

    采用固体电解质取代液态有机电解液的固态锂电池,有望使用更高比容量的正、负极材料,从而实现更高比能量的电池体系,同时可彻底解决电池的安全性问题,符合未来二次电池发展的方向,是电动汽车和规模化储能的理想电源。为了实现兼具高比能量、高安全性、长寿命等特性的固态电池,进而推进全固态锂电池的实用化,2011—2021年间各国的科学家做了大量工作,并取得了许多突破性进展。本文以固态锂电池关键材料为出发点,回顾了2011—2021年以来固态电池的研究进展,包括锂离子固体电解质材料,电极/电解质界面调控,固态电池技术等方面,总结了现在存在的挑战及解决方案,并对该领域未来可能的发展提出了展望。

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    储热技术研究进展与展望
    姜竹, 邹博杨, 丛琳, 谢春萍, 李传, 谯耕, 赵彦琦, 聂彬剑, 张童童, 葛志伟, 马鸿坤, 金翼, 李永亮, 丁玉龙
    2022 (9):  2746-2771.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0538
    摘要 ( 1304 )   HTML ( 168 )   PDF(15557KB) ( 1079 )  

    储热技术在解决可再生能源间歇性问题和提高能源利用效率等方面发挥着重要作用。本文针对储热技术的研究进展,分别从材料、装置、系统、政策干预等方面进行了综述。针对储热材料的性能提升,本文对构建复合型储热材料的配方研究、材料特性的微观模拟研究,及其相关的制备技术进行了总结。此外,随着高温熔融盐储热材料在光热发电系统中的广泛应用,本文对其产生的高温腐蚀行为与腐蚀防护技术进行了概述。储热装置方面,本文重点介绍了板式、填充床式和管壳式储热单元的强化传热方法。储热系统与应用方面,本文对基于相变储热和热管理、热化学储热、液态空气储能的应用研究进行了概述。最后,储热技术的发展离不开适当的政策干预,因此本文对不同国家针对储热技术制定的相关政策进行了报道。

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    全钒液流电池的技术进展、不同储能时长系统的价格分析及展望
    张华民
    2022 (9):  2772-2780.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0246
    摘要 ( 1040 )   HTML ( 119 )   PDF(2431KB) ( 1012 )  

    可再生能源正逐渐由辅助能源变为主导能源,建立“新能源+储能”为主体的新型电力系统对大功率、大容量、长时储能技术提出了新的要求,全钒液流电池储能技术具有本征安全、充放电循环寿命长、电解液可循环使用、生命周期经济性好及环境友好等特点,近年来受到学术界、产业界的广泛关注。本工作回顾了液流电池的发展历程,介绍了全钒液流电池储能技术的基本原理、性能特点、技术和产业化发展现状,结合多年高功率、大容量全钒液流电池储能系统工程实际设计经验,阐明了大规模储能电站的模块化设计方法,实施的5 MW/10 MWh全钒液流电池储能系统产业化项目已安全稳定运行了9年多,能量转换效率和储能容量无明显衰减。实际应用结果充分验证了全钒液流电池储能系统的安全性和可靠性,已满足产业化应用的要求。根据全球全钒液流电池储能装备领军企业2021年第三季度兆瓦级储能系统实际价格,分析了不同储能时长全钒液流电池储能系统的价格及生命周期的经济性,指出了今后的研究开发重点。

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    金属锂电池中力-电化学机制研究进展
    沈馨, 张睿, 赵辰孜, 武鹏, 张羽彤, 张俊东, 范丽珍, 刘全兵, 陈爱兵, 张强
    2022 (9):  2781-2797.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0326
    摘要 ( 518 )   HTML ( 113 )   PDF(7887KB) ( 497 )  

    以金属锂作为负极的金属锂电池具有极高的能量密度,有望成为下一代高比能量二次电池。然而,在充放电过程中,金属锂负极的相变转化机制、枝晶状形貌沉积特性使得电池具有巨大且极不均匀的内部体积变化。因此,相比于插层机制的锂离子电池,金属锂电池面临着锂枝晶生长、锂枝晶断裂与粉化、固体电解质(SEI)膜破裂、电解质/隔膜机械失效等更为严重的力-电化学相关问题。本文首先总结金属锂的弹性、塑性与黏性力学特性,并着重介绍了电沉积锂展现的尺寸效应,随后综述了金属锂电池环境中的力-电化学机制研究进展。针对液态电解质环境,介绍了应力驱动下的锂枝晶生长机制、界面(金属锂与SEI、负极与隔膜、金属锂与集流体)相互作用机制以及外压力调控机制。针对固态电解质环境,介绍了固-固界面接触带来的离子输运影响以及电解质体相/晶界/孔隙与金属锂之间的相互作用机制。最后,对当前金属锂电池中的力-电化学机制研究进行了总结并对未来发展方向进行了展望。

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    废旧电池电解液回收及高值化利用研发进展
    张群斌, 董陶, 李晶晶, 刘艳侠, 张海涛
    2022 (9):  2798-2810.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0338
    摘要 ( 824 )   HTML ( 86 )   PDF(5983KB) ( 771 )  

    随着技术进步和规模生产效应的呈现,锂离子电池成本快速下降,促使其在诸多领域获得广泛的应用。锂离子电池富含能源金属和战略元素,其使用寿命一般为6~8年,如不对退役后的锂电池进行妥善回收处理,将造成巨大资源浪费和严重环境污染。科研人员已对富含有价金属元素的正极材料的回收开展了相对较多的研究。作为电池四大关键材料之一,电解液富含碳酸酯溶剂和六氟磷酸锂(LiPF6),如能将其回收并转化为高值产品将具有重大环保意义及经济效益。本文归纳了已报道的电解液回收技术和工艺,以便有效推动该领域的健康发展,并对其面临的挑战及未来发展趋势进行分析和展望。

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    室温钠硫电池硫化钠正极的发展现状与应用挑战
    张斌伟, 魏子栋, 孙世刚
    2022 (9):  2811-2824.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0371
    摘要 ( 643 )   HTML ( 82 )   PDF(26218KB) ( 529 )  

    室温钠硫电池以其高能量密度、资源丰富、价格低廉等优势有望在大规模储能、动力电池等领域实现广泛应用而备受青睐。其中,室温钠硫电池的放电最终产物硫化钠,可以作为正极材料,不仅理论比容量高(686 mAh/g),且可以与非钠金属负极(如硬碳、锡金属)匹配从而避免直接使用钠金属负极带来的安全隐患等优点逐渐成为研究热点。然而由于硫化钠正极材料的本征电导率低、反应活性差、与多硫化物的可逆循环差等缺点限制了其实际比容量和循环寿命。本文通过对硫化钠正极材料的工作机理深入探讨,从材料理性设计和电池结构构造的角度入手,着重讨论硫化钠正极材料本征电导性和与多硫化物的可逆循环性的提升策略,并重点介绍了硫化钠正极材料的近期研究进展。最后,面向硫化物正极材料的实际化应用需求,凝练出推动其进一步发展的重要研究方向。

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    钠离子电池筛分型碳:缘起与进展
    张俊, 李琦, 陶莹, 杨全红
    2022 (9):  2825-2833.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0374
    摘要 ( 703 )   HTML ( 155 )   PDF(5281KB) ( 549 )  

    钠离子电池被广泛认为是锂离子电池在大规模储能应用领域的最佳补充甚至替代,硬碳是目前最具潜力的实用化负极材料,但硬碳负极低电位平台的产生机制仍存争议,且硬碳复杂的微纳结构与低电位平台的关联机制尚不明确,严重制约了钠离子电池的产业化进程。本工作首先概述了钠离子电池碳负极的研究进展与关键挑战,并分析探讨了设计理想碳负极的关键结构要素;其次介绍了本研究团队有关碳分子筛负极的研究进展,并基于碳分子筛提出了理想的碳负极模型——筛分型碳;最后重点论述了筛分型碳“樱桃小嘴、大腹便便”的孔结构特征及其对储钠机制和电化学性能的影响,明确提出了筛分型碳负极的理性设计原则,并对筛分型碳未来在钠离子电池产业化进程中所面临的机遇和挑战进行了简要的评述和探讨。

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    基于氧化物固态电解质的储能钠电池的研究进展
    王进芝, 韩晓蕾, 许超锋, 赵井文, 唐越, 崔光磊
    2022 (9):  2834-2846.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0424
    摘要 ( 321 )   HTML ( 68 )   PDF(12974KB) ( 578 )  

    规模储能是碳中和多能互补生态系统中的关键一环,是连接清洁能源和智能电网的桥梁,是保障国家能源安全的重要举措,其中先进的二次电池是关键的核心技术。由于兼顾高功率密度、资源丰富等优势,基于氧化物固态电解质的钠电池(OSSBs),尤其是以液态金属钠为负极的体系,已成为最有发展潜力和应用价值的规模储能技术之一。但是,目前的OSSBs在长循环稳定性、安全性和成本方面仍存在不足,阻碍其实际广泛应用。重要的是,如何在降低成本的同时,实现OSSBs中表界面电化学行为的有效调控及对储能性能的提升已经成为目前研究的重点。本文重点介绍了近年来OSSBs的研究进展,主要针对钠-硫电池和钠-金属氯化物电池等在内的典型体系,从OSSBs成本控制、运行温度降低以及应用可靠性优化等几个关键方面分析了国内外的发展,进而提出了对储能钠电池的未来展望。

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    锂镧锆氧(LLZO)基固态锂电池界面关键问题研究进展
    翟朋博, 常冬梅, 毕志杰, 赵宁, 郭向欣
    2022 (9):  2847-2865.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0097
    摘要 ( 1548 )   HTML ( 106 )   PDF(23717KB) ( 855 )  

    与目前采用有机电解液的商业化锂离子电池相比,引入固体电解质的固态锂电池在同时提升电池能量密度和安全性方面具有巨大潜力,成为开发下一代锂电池的重点。在众多固体电解质材料中,石榴石型的锂镧锆氧(Li7La3Zr2O12,LLZO)凭借高锂离子电导率、优异的对锂稳定性和宽电化学窗口等优点受到广泛关注。然而,LLZO的引入带来诸多界面之间的突出问题,例如固固界面的物理接触、应力应变、电荷重新排布以及电化学稳定性等。这些问题不仅是影响电池性能的关键因素,而且带来了很多新的物理化学现象需要深入研究。因此,本文从LLZO基固体电解质与电极之间的外部界面和固体电解质及复合电极内部界面两个角度入手,依据本课题组多年的研究积累,结合领域内最新研究动态,详细讨论了:①LLZO基固体电解质粉体材料表面碳酸锂(Li2CO3)的形成原因、对电化学性能的影响以及克服这一问题的手段;②LLZO基固体电解质层内部界面调控对锂离子电导率及电池电化学性能的影响;③LLZO/Li界面特性及Li在LLZO基陶瓷电解质中贯穿生长,深入探讨了诱导Li析出和生长的电场、电荷、应力应变等作用机制;④复合正极内部界面问题及其与电解质层外部接触界面的一体化构筑方法。希望通过本文对LLZO固态锂电池界面问题的关键科学和技术的分析总结,为构筑高导通高稳定界面,推动高性能固态锂电池发展提供思路。

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    液流电池模拟仿真研究现状与展望
    唐奡, 严川伟
    2022 (9):  2866-2878.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0354
    摘要 ( 384 )   HTML ( 52 )   PDF(14520KB) ( 247 )  

    液流电池作为一种典型长时储能电池,是可再生能源为主体的新型电力系统的重要组成部分。液流电池技术的不断发展对工程化电堆开发和系统设计提出了更高要求,相比于传统实验测试方法周期长成本高的特点,模拟仿真技术高效而便捷,近年来在液流电池高功率电堆和大容量储能系统设计方面起到了重要作用。本文将基于现有研究工作,重点围绕液流电池基础科学问题的模拟仿真、电堆数值模拟与动态仿真、储能系统模拟仿真与设计三个方面,对液流电池模拟仿真研究现状进行综述和分析,最后对未来液流电池模拟仿真技术的进一步发展提出了展望。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    锂离子电池快充策略技术研究进展
    邓林旺, 冯天宇, 舒时伟, 张子峰, 郭彬
    2022 (9):  2879-2890.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0635
    摘要 ( 1188 )   HTML ( 186 )   PDF(3395KB) ( 1182 )  

    电动汽车的普及是锂离子电池的主要需求来源之一。而电动汽车的充电性能是影响普及进程的一个重要的考量参数。在材料体系不变的情况下,取代传统恒流恒压充电策略的新型充电策略近10年内也吸引了很多研究者的关注。另外,新一代电池管理系统也对充电策略提出了更高的要求。本文阐述了各种优化的充电方法及其特点和应用。研究结果表明,与传统的恒流恒压充电策略相比,优化的充电方法可以减少充电时间,改善充电性能并有效延长电池寿命。最后,本文还提出了对未来优化充电策略的展望,希望未来在线辨识和实时更新的模型参数的方法或者通过在线的方法辨识特征信号带来更加强大的充电策略。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    双碳目标下中国绿氢合成氨发展基础与路线
    李育磊, 刘玮, 董斌琦, 夏定国
    2022 (9):  2891-2899.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0324
    摘要 ( 647 )   HTML ( 89 )   PDF(1835KB) ( 955 )  

    推动全社会绿色发展,实现碳达峰、碳中和,是产业结构调整的强大动力,也为产业结构优化升级提供了重大战略机遇。本文梳理氢能与氨的全球产销量及应用领域相关数据,总结我国发展可再生能源绿氢合成氨产业的重要意义,从能源基础、关键技术、地域分布等方面,提炼我国已具备发展绿氢合成氨产业的基础条件,分析技术路线、存在问题、技术发展趋势、不同应用场景的竞争力及绿氢合成氨的经济性。研究了中国绿氢合成氨产业上位规划与发展趋势,针对体制保障与政策提出相关建议,为制定可再生能源绿氢合成氨产业的规划与政策提供支撑。研究表明:我国已具备发展绿氢合成氨产业的基础条件,应尽快制定详细的绿氢合成氨产业发展实施路线图。论文提出我国绿氢合成氨产业分三步走,第一阶段(当前—2025年)主要任务为完善政策规划,提升技术水平,先行示范为主,第二阶段(2025—2030年)主要任务为规模化推广,多领域支撑,多元化应用;第三阶段(2035—2050年)主要任务为推动产业格局重塑,助力实现双碳目标。

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    高镍三元层状锂离子电池正极材料:研究进展、挑战及改善策略
    栗志展, 秦金磊, 梁嘉宁, 李峥嵘, 王瑞, 王得丽
    2022 (9):  2900-2920.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0595
    摘要 ( 2453 )   HTML ( 295 )   PDF(22577KB) ( 2121 )  

    随着锂离子电池在新能源汽车领域应用逐步扩大,续航里程成为制约新能源汽车发展的关键因素,提高锂离子电池的能量密度是解决续航焦虑的有效途径,高镍三元层状材料具有比容量高、成本低及安全性相对较好等优点,被认为是最具前景的高比能锂离子电池正极材料之一。然而,随着三元层状材料中镍含量提高,其循环稳定性和热稳定性显著下降。本工作回顾了锂离子电池正极材料的发展历程,分析了三元层状材料向高镍方向发展的必要性;基于高镍三元层状正极材料的研究现状对当前高镍三元层状材料存在的挑战进行了总结,从阳离子混排、结构退化、微裂纹、表面副反应、热稳定性多个方面综合分析了材料的失效机制;针对高镍三元层状材料存在的问题,综述了表面涂层、元素掺杂、单晶结构以及浓度梯度设计等方面的改性策略,重点探讨了各种改善策略的研究进展以及对高镍三元层状材料电化学性能的影响机理;最后归纳了上述改善策略的特点,基于单一改善策略的优势和不同改善策略的耦合效应,展望了高镍三元层状材料改善策略的发展方向,并提出了多重改善策略协同应用的可行性方案。

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    锂离子电池负极材料TiNb2O7 的研究进展
    贡淑雅, 王跃, 李萌, 邱景义, 王洪, 文越华, 徐斌
    2022 (9):  2921-2932.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0181
    摘要 ( 477 )   HTML ( 49 )   PDF(7181KB) ( 294 )  

    锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、使用温度范围广及循环寿命长等优点,在便携式电子设备、电动汽车和储能等领域得到广泛应用。TiNb2O7具有较高理论比容量(388 mAh/g),在充放电过程中体积形变较小,且在快速充电时可以避免锂枝晶的生成,使电池具有更好的安全性和更短的充电时间,是很有潜力的锂离子电池负极材料之一。但是,TiNb2O7的电子电导率和离子电导率较低,阻碍了其推广应用。本文作者通过对近期相关研究的探讨,结合国内外在TiNb2O7负极材料制备方面的最新研究进展,综述了TiNb2O7的结构、制备方法及改性策略,对其晶体结构及嵌锂机制进行讨论;同时介绍了高温固相法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、溶剂热法及模板法等几种TiNb2O7的制备方法,分别介绍了纳米化、掺杂、引入氧空位及添加导电涂层等四个改性方法及其对TiNb2O7电化学性能的改善效果。综述分析表明,纳米化可以缩短锂离子的扩散路径,掺杂以及氧空位的引入可以改变TiNb2O7结构,复合电极可以改善其导电性,不同的改性方法可以有效地提高电极材料的倍率及循环性能,有望使其在高功率储能器件中得到良好应用。

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    美国先进电池领域发展态势及启示
    史冬梅, 邱俊, 王晶
    2022 (9):  2933-2943.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0207
    摘要 ( 455 )   HTML ( 92 )   PDF(678KB) ( 503 )  

    先进电池被列为美国四大关键产品供应链之一,也是美国保持并提升经济竞争力、实现清洁能源转型的重要手段。近年来美国政府陆续出台政策,支持美国完整的先进电池产业链建设,并加大对科技的投入和创新平台建设,企业界也纷纷加大电池领域的投资力度。本工作介绍了美国政府近期出台的扶持先进电池技术和相关产业的政策,包括白宫发布《先进电池供应链安全百日评估报告》、拜登政府在《基础设施投资和就业法案》中设立电池相关条款,以及政府制定《美国锂电池2021—2030国家蓝图》和发布《储能大挑战路线图》等。分析了美国政府部门对电池创新的支持和相关创新平台建设,包括设立储能、电池、先进车辆等技术研发计划和专项。综述了在政策支持下,美国先进电池产业投资实施方案和发展动态,包括汽车企业加大电池产业投入、一批美国初创电池企业快速成长、电池供应链投资加大等。在此基础上,研究了美国先进电池技术和产业发展对我国电池领域发展带来的影响,并提出了我国应对挑战的政策建议。

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    液流电池储能技术研究进展
    袁治章, 刘宗浩, 李先锋
    2022 (9):  2944-2958.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0295
    摘要 ( 1853 )   HTML ( 195 )   PDF(6518KB) ( 2076 )  

    储能技术是构建以新能源为主体的新型电力系统,实现双碳目标的关键支撑技术。液流电池储能技术具有安全可靠、寿命长、环境友好等优势,成为规模储能的首选技术之一。本文通过对传统液流电池储能技术包括铁铬液流电池储能技术、全钒液流电池储能技术、锌溴液流电池储能技术和液流电池新体系包括基于溴基氧化还原电对的液流电池新体系、醌基液流电池体系、吩嗪基液流电池体系、TEMPO类液流电池体系、紫精类液流电池体系的研究进展进行探讨,综述了各类液流电池储能技术的发展历程及其技术成熟度,着重介绍了各类液流电池储能技术的特点和进一步发展所面临的关键科学问题,重点分析了不同种类的液流电池储能技术实用化进程中的关键技术瓶颈。通过总结分析国内外液流电池储能技术的发展态势,对液流电池储能技术未来发展方向进行了展望。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    纯电动汽车CO2 热泵空调及整车热管理概述
    李江峰, 李帅旗, 阮先轸, 徐磊, 张孝春, 宋文吉, 冯自平
    2022 (9):  2959-2970.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0123
    摘要 ( 668 )   HTML ( 41 )   PDF(3297KB) ( 661 )  

    随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出,交通运输业电气化的目标进一步加快。其中电动汽车现在面临着由于低温采暖而造成的续航里程衰减严重和制冷剂选择等难题。本文通过总结相关文献,综述了提高电动汽车续航里程的CO2热泵空调技术和电动汽车整车热管理系统。在制冷剂选择上,分析了R134a、R1234yf、R290、CO2 4种新型制冷剂的优缺点;在CO2循环系统中,介绍了基本跨临界CO2循环系统的特点,重点阐述了对基本跨临界CO2循环系统的优化,其中包含带回热器的跨临界CO2循环系统及使用补气增焓技术的跨临界CO2循环系统;对于热泵空调在电动汽车上的应用,分析了直接热泵的三换热器系统和二次回路系统的工作模式和各自的特点;对于CO2热泵空调在整车热管理上,介绍了电动汽车乘员舱、动力电池和驱动电机热管理的需求,展示了直冷直热系统和二次回路系统的优缺点;最后总结指出CO2热泵空调系统将有效解决电动汽车冬季续航里程衰减严重的问题且能在整车热管理上发挥巨大作用,同时仍亟需在高温工况制冷、耐压、密封、控制和集成等问题上进一步探索。

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    先进压缩空气储能系统全生命周期能耗及二氧化碳排放
    耿晓倩, 徐玉杰, 黄景坚, 凌浩恕, 张雪辉, 孙爽, 陈海生
    2022 (9):  2971-2979.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0129
    摘要 ( 524 )   HTML ( 45 )   PDF(3213KB) ( 498 )  

    先进压缩空气储能系统是一种具有广泛应用前景的储能技术,对其展开全生命周期能耗及二氧化碳排放研究,对促进储能技术发展和政策制定有指导意义。本工作以10 MW先进压缩空气储能系统为研究对象,建立了压缩空气储能系统的全生命周期模型,基于实际机组、国家标准及相关文献等对生命周期各阶段进行清单分析,获得了压缩空气储能系统的全生命周期能耗、能效及二氧化碳排放,并进行了敏感性分析。研究结果表明,系统全生命周期度电能耗和度电二氧化碳排放量分别为5.653 MJ和36.73 g,净能量效率为63.68%;运行阶段的能耗和二氧化碳排放占比最大,分别为99.16%和90.49%;系统运行效率、系统寿命及发电时间都是全生命周期二氧化碳排放的重要影响因素,而全生命周期能耗对系统运行效率的敏感性较大。

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    B2O3 包覆NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 正极材料制备及其电化学性能
    郭凯强, 车海英, 张浩然, 廖建平, 周煌, 张云龙, 陈航达, 申展, 刘海梅, 马紫峰
    2022 (9):  2980-2988.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0213
    摘要 ( 903 )   HTML ( 114 )   PDF(4306KB) ( 727 )  

    O3型层状氧化物正极材料NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2具有高比容量、低成本和环境友好性等优点,被认为是最有前途的钠离子电池正极材料之一,但在充放电过程中会发生一系列复杂的相变,导致电化学性能较差。本研究报道了一种协同改性方法,以同时提高NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2正极材料的循环稳定性和倍率性能。通过将硼酸粉末和正极材料固相球磨混匀后低温煅烧,在NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2正极材料表面包覆纳米非金属氧化物B2O3。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微技术(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电化学技术等测试手段,对比分析不同包覆量和原材料的形貌和电化学性能,筛选得到最优包覆量为2%(质量分数,余同)。该方法实现了B2O3的均匀包覆,并且没有改变NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2正极材料的晶体结构。通过电化学性能测试表明2% B2O3包覆材料在1 C倍率下循环200圈容量保持率从78%提升至87%。同时,2% B2O3包覆材料的高倍率性能也得到了改善,10 C高倍率下放电比容量从75 mAh/g提升至99 mAh/g。结果表明,这是一种有效且可靠的表面改性策略,可以增强钠离子电池层状氧化物正极材料的电化学性能。

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    锂离子电池硅基负极循环过程中的膨胀应力
    牛少军, 吴凯, 朱国斌, 王艳, 曲群婷, 郑洪河
    2022 (9):  2989-2994.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0194
    摘要 ( 837 )   HTML ( 107 )   PDF(4824KB) ( 1027 )  

    研究硅基负极在充放电及循环过程中的膨胀对开发下一代高比能锂离子动力电池具有重要意义。本工作采用商业化的SiO x /Graphite为负极匹配高比能镍钴锰酸锂[Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2,NCM811]正极,组装了60 Ah大软包电池,并对其进行循环膨胀应力、应力增长机理与膨胀应力的改善等方面的研究。结果表明SiO x 材料的构成为3~5 nm Si颗粒分散在无定形的SiO2内部,首次充放电比容量为1840.9/1380 mAh/g,库仑效率为75%。大软包电池单次充放电膨胀应力的变化为7320 N,约为石墨负极的4倍。工作温度越高容量衰减越快,衰减到70% SOH时,25、45和60 ℃对应的循环次数分别为980、850和500次,对应的最大膨胀应力分别为25107、25490、23667 N。此外,机理分析发现电池循环膨胀应力的增长和容量衰减之间为线性相关,CP(cross section polisher)-SEM分析发现膨胀应力的增加主要来自于SiO x 颗粒表面的破裂及副反应导致的SEI (solid electrolyte interphase)增厚。通过测定缓冲垫压缩曲线的方法筛选了合适的聚氨酯类缓冲垫,验证对循环无影响,但可以显著改善膨胀应力的增加,膨胀应力降低50%,这些结果将为更好地应用高比容量的硅基负极材料奠定基础。

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    基于电化学阻抗特征选择和高斯过程回归的锂离子电池健康状态估计方法
    陈晓宇, 耿萌萌, 王乾坤, 沈佳妮, 贺益君, 马紫峰
    2022 (9):  2995-3002.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0150
    摘要 ( 640 )   HTML ( 78 )   PDF(1773KB) ( 468 )  

    电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)蕴含丰富的电池健康状态(state of health,SOH)信息,但不同频率的电化学阻抗数据间并不相互独立,直接利用全频段EIS数据构建SOH估计模型,往往存在精度低、计算复杂度高等问题。鉴于此,本文提出了一种基于特征选择和高斯过程回归的SOH估计方法,可通过序贯前向搜索策略,结合交叉验证均方根误差指标,逐步搜索阻抗特征子集。基于此,采用基于水平图的多目标可视化决策方法,以均衡模型复杂度与精度为目标,综合考虑特征个数与交叉验证均方根误差,实施阻抗特征子集优选。所提方法已成功地应用于公开发表数据集。相比全频段EIS建模方法,本文作者所提方法可显著提升SOH估计精度,大幅降低EIS测试时间,为电化学阻抗技术应用于SOH在线估计提供理论和技术支撑。

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    基于高密度复合相变储热材料电热锅炉的分时配比供热系统
    尹浩, 唐志伟, 王昊, 金翼, 丁玉龙
    2022 (9):  3003-3010.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0214
    摘要 ( 232 )   HTML ( 32 )   PDF(1821KB) ( 120 )  

    本工作研究了基于高密度复合相变储热材料电热锅炉的分时配比供热系统,对高密度复合相变储热材料及其电热锅炉进行了描述。结合冬季供热的负荷系数随室外环境温度的变化规律,对分时配比供热系统蓄热设备进行了优化设计,提出了分时配比供热系统的优化原则。结合城市供热的示范工程,分时配比供热系统与全蓄热式供热系统比较,不仅能够节省锅炉房空间31%,节约初投资33%,与传统直热式电锅炉比较节省运行费用46%,同时减少了锅炉房的用电负荷,降低了电力增容压力。通过供热负荷分析说明了分时配比供热系统具备极寒天气的供热调峰能力和设备备用功能。

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    锂电池高比能量正极材料Cr8O21 的制备及应用
    陈淼淼, 邵钦君, 陈剑
    2022 (9):  3011-3020.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0372
    摘要 ( 388 )   HTML ( 57 )   PDF(3783KB) ( 230 )  

    Cr8O21具有高比容量、低成本等优点,是一种具有潜在应用前景的锂电池正极材料。但是,Cr8O21的首次循环不可逆容量大,循环稳定性较差,主要用于一次电池。目前,通常在高压或常压氧气气氛中合成Cr8O21,制备过程危险且容易生成杂相。本文工作以CrO3为原料,在空气气氛中通过两步热解法制得了纯相Cr8O21,考察了其作为锂电池正极材料的电化学性能,并利用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)初步探索了Cr8O21的电化学反应机制。研究结果表明,所制备的Cr8O21在0.1 C倍率下具有高达400.4 mAh/g的初始放电比容量和1218 Wh/kg的比能量;可逆比容量为304.4 mAh/g,100次循环后的可逆容量保持率达88.7%,表现出良好的电化学性能和循环稳定性。Cr8O21晶体结构由2个[CrO6]亚晶格单元和1个[CrO4]亚晶格单元组成,[CrO4]位于2个[CrO6]亚晶格单元之间。XPS表征结果显示,Cr8O21的放电和充电反应发生的是Cr6+/Cr3+之间的三电子氧化还原反应。XRD结果表明,在Cr8O21的首次放电曲线的第一个电压平台,Li+嵌入Cr8O21的[CrO4]亚晶格区,生成无定形的反应产物;随着放电反应的继续进行,在第二个放电电压平台,反应进一步生成LiCrO2微晶。在随后的充电和放电循环中,LiCrO2发生可逆的电化学氧化和还原反应,材料表现出良好的可充性。

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    管式ZEBRA电池的长循环性能与电压弛豫曲线分析
    胡英瑛, 王静宜, 吴相伟, 温建国, 温兆银
    2022 (9):  3021-3027.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0256
    摘要 ( 309 )   HTML ( 34 )   PDF(6948KB) ( 131 )  

    管式ZEBRA电池(也称钠-金属氯化物电池)在电网储能、备用电源和极端环境等领域具有广阔的应用前景,已处于商业化示范应用发展阶段。然而,进一步提高其长循环性能仍是下一代ZEBRA电池的研发重点。判断ZEBRA电池的健康状态对于预测其循环稳定性至关重要。我们结合管式电芯的阴极颗粒特征、长循环性能曲线与放电电压弛豫曲线进行了分析,得到ZEBRA电池将经历前期活化、中期性能稳定和后期性能老化等三个不同的性能阶段。通过观察ZEBRA电池的电压弛豫曲线的变化,可以较好地判断电池性能所处的阶段,从而获取电池的健康状态。并以此判断为基础,通过改变阴极的组成可达到减少电池活化时间,保持电池长循环稳定性的目的。

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    碳酸盐/高炉矿渣定型复合相变储热材料的制备与性能
    王君雷, 张第玲, 王昆, 许东东, 徐祥贵, 姚华, 刘文巍, 黄云
    2022 (9):  3028-3034.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0385
    摘要 ( 270 )   HTML ( 41 )   PDF(2334KB) ( 214 )  

    碳酸盐(Na2CO3和K2CO3)是极具潜力的高温相变材料,高炉矿渣(blast furnace slag,BS)作为基体材料兼具环境和经济效益,但是碳酸盐在高温熔融状态下通常会与高炉矿渣发生反应。为此,本工作发展两步法制备路线以攻克这一问题。首先,使用碳酸盐对高炉矿渣进行改性,得到化学性质稳定的改性矿渣(modified blast furnace slag,MBS);其次,通过混合烧结法制备碳酸盐/改性矿渣定型复合相变材料(form-stable phase change materials,FSPCMs)。经过冷热循环测试制备的K2CO3/KMBS复合相变材料比Na2CO3/NMBS的定型效果更优。分析发现,K2CO3与KMBS具有良好的化学相容性,随着K2CO3含量增加,K2CO3/KMBS定型相变材料的潜热逐渐增加,且测试结果与计算一致,在质量比4∶6(40K2CO3/60KMBS)时,潜热为94.8 kJ/kg,且热稳定性最好。

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    锂电池百篇论文点评(2022.6.12022.7.31
    朱璟, 武怿达, 郝峻丰, 岑官骏, 乔荣涵, 申晓宇, 田孟羽, 季洪祥, 金周, 詹元杰, 闫勇, 贲留斌, 俞海龙, 刘燕燕, 黄学杰
    2022 (9):  3035-3050.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0457
    摘要 ( 618 )   HTML ( 115 )   PDF(950KB) ( 1252 )  

    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2022年6月1日至2022年7月31日上线的锂电池研究论文,共有4634篇,选择其中100篇加以评论。正极材料的研究集中于高镍三元材料、镍酸锂和富锂锰基材料的表面包覆和掺杂改性,以及其在高电压下或长循环中的结构演变等。硅基复合负极材料的研究包括材料制备和对电极结构的优化以缓冲体积变化,并重点关注了功能性黏结剂的应用。金属锂负极的研究包含金属锂的表面修饰和三维结构设计。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。其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配的研究,以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多关注正极中离子、电子传输能力的提升。锂硫电池的研究重点是提高硫正极的活性,抑制“穿梭”效应。电池技术方面的研究还包括电极结构设计和人造SEI层的构建。测试技术涵盖了锂沉积、硅负极演化和三元正极产气等方面。理论模拟工作侧重于固态电池中固体电解质及其与电极界面的稳定性研究。

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