储能科学与技术

锂电池百篇论文点评（2022.12.1—2023.1.31）

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

2023 (3): 639-653. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0096

摘要 ( 333 )

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PDF(939KB) ( 413 )

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2022年12月1日至2023年1月31日上线的锂电池研究论文，共有3084篇，选择其中100篇加以评论。正极材料的研究包括高镍三元材料、镍酸锂和镍锰酸锂的掺杂改性和表面包覆层来稳定结构及抑制界面副反应。负极材料的研究重点包括硅基负极材料、金属锂负极和无负极技术。其中硅基负极材料的相关研究集中在通过表面包覆、界面构建和开发新黏结剂体系来缓解体积膨胀问题。金属锂负极和无负极集流体的界面构筑受到重点关注和研究。固态电解质的研究内容主要包括对硫化物固态电解质、聚合物固态电解质与硫化物-聚合物复合电解质相关的合成、电解质薄膜制备以及电解质-电极界面构筑。液态电解质方面的研究集中在使用添加剂进行电解质-电极界面设计和调控。针对固态电池、正极材料的表面包覆、复合正极制备以及锂枝晶及界面副反应抑制有多篇文献报道。其他电池技术主要偏重液态锂硫电池正极设计。表征分析涵盖了化学成分和电池失效分析、锂除沉积行为和负极SEI。理论模拟工作涉及电池性能预测和电解质设计。电池中电解质与正负极的界面受到重点关注。

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LiCl-KCl熔盐纳米流体结构和热物性的分子动力学模拟

田禾青, 寇朝阳, 周俊杰, 余银生

2023 (3): 654-660. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0683

摘要 ( 276 )

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采用分子动力学方法研究了Al₂O₃纳米颗粒对二元氯化物熔盐LiCl-KCl结构和热物理性能的影响，分析了熔盐纳米流体(Nanofluids，NF)的径向分布函数、配位数N(r)、自扩散系数D、密度、黏度和热导率随纳米颗粒掺杂量和温度的变化规律。结果表明，在700～1400 K温度范围内，随着纳米颗粒掺杂量的增加，径向分布函数g_Li-Cl(r)的第一峰位置逐渐向左移动，且峰高增加，配位数逐渐增大，自扩散系数逐渐减小。熔盐纳米流体的密度、黏度和热导率随温度的升高而降低，随纳米颗粒掺杂量的增加而增加，黏度和热导率最大分别提高了16.83%和4.95%。热物性的变化归因于Al₂O₃纳米颗粒的加入减小了纳米流体中阴阳离子间的距离，增强了缔合作用，使得熔体结构更加致密。

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应用石蜡/GO复合相变材料的太阳能PV/T系统性能

陈红兵, 高雪宁, 刘涛, 王聪聪, 赵瑞, 孙俊辉, 王传岭, 何迪

2023 (3): 661-668. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0660

摘要 ( 169 )

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PDF(4276KB) ( 116 )

为了提高太阳能PV/T系统能效，采用超声搅拌法制备了GO(氧化石墨烯)质量分数为0.01%、0.02%和0.03%的石蜡/GO复合相变材料，并对其潜热、导热性和流动性进行测试分析。其中，GO质量分数为0.02%的复合相变材料相比于制备的其他复合相变材料具有最佳的综合性能，其相变温度为35 ℃，相变潜热为42.93 J/g，热导率最高为0.505 W/(m·K)，黏温拟合程度为0.91。为了分析石蜡/GO复合相变材料对太阳能PV/T系统热电性能的影响，搭建了两套完全相同的平板热管式太阳能PV/T系统，并将GO质量分数为0.02%的石蜡/GO复合相变材料和水作为两系统的传热介质运行。采用热效率和电效率对太阳能PV/T系统的热电性能进行表征。研究结果表明，在相同工况下，运行(石蜡质量分数为30%以及GO质量分数为0.02%)石蜡/GO复合相变材料的平板热管式太阳能PV/T系统的热电性能均比运行水的系统性能有所提升，其中系统热效率提高92.28%，电效率提高8.87%，换热水箱集热量提高15.80%。该研究为复合相变材料(流体)在太阳能储存领域的应用提供了借鉴。

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大容量复合材料飞轮转子仿真与应力分析

王泽峥, 曲文浩, 王亚军, 秦润, 柳亦兵

2023 (3): 669-675. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0609

摘要 ( 235 )

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PDF(2417KB) ( 208 )

大容量功率型飞轮储能系统是电力系统优质调频资源，采用高强度、低密度的复合材料制造飞轮转子是提升飞轮储能量的主要方法。本工作以大尺寸的复合材料飞轮转子为对象，在弹性理论基础上，推导出各向异性材料转子轮缘在高速旋转下的应力分布公式，并基于应力叠加原理得到了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合下的应力分析公式，给出了解析解；然后建立了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合的有限元分析模型，对转子应力分布进行仿真分析，仿真结果与解析结果基本一致，验证了模型的合理性。最后针对过盈量对复合材料转子轮缘与金属轮毂接触面应力的影响，以及飞轮转子在给定转速下的变形对过盈量及接触面应力的影响进行了分析。

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立方体填充料结构内换热与流动特性

廖丹, 胡章茂, 王唯, 田红, 宣艳妮, 陈冬林

2023 (3): 676-684. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0673

摘要 ( 148 )

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PDF(6376KB) ( 61 )

填充床内填充料的结构对填充床内的流动与蓄放热性能有重要影响。本工作设计了一种立方体单元结构的填充料，该结构可以有序且稳定地堆积，使得填充床内流体的流动与换热更加均匀。采用数值模拟的方法对所设计立方体单元的换热与流动特性进行了研究，分析了在不同质量流量下，立方体单元内对流换热和压力损失的情况，并将研究结果与传统的小球简单立方堆积结构(SC)和体心立方堆积结构(BCC)进行了对比与分析。分析结果表明：当质量流量小于0.0018 kg/s时，立方体单元的传热系数略低于BCC，但明显高于SC；当质量流量大于0.0018 kg/s时，立方体单元的传热系数迅速增大，明显高于BCC和SC；随着质量流量的增加，其蓄/放热速度也逐渐高于BCC和SC。立方体单元内流体的压降始终介于SC和BCC之间，但随着流体质量流量的增加而增长迅速。通过分析综合换热性能发现立方体单元综合换热性能明显优于BCC，并且在质量流量小于0.0018 kg/s时，其综合换热性能为最优。总体研究表明，本工作所设计的立方体单元在换热速度和流动压降两方面具有更好的综合性优势，对有序堆积的填充床的填充料结构提供了一种参考。

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过充循环老化电池产热特性

常修亮, 李希超, 贾隆舟, 韦守李, 王敬豪, 戴作强, 郑莉莉

2023 (3): 685-697. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0692

摘要 ( 315 )

HTML ( 75 )

PDF(5785KB) ( 235 )

锂离子电池凭借其良好的性能，在新能源汽车的发展过程中备受青睐，但电池成组后因为电池的不一致性等原因会造成部分电池出现过充电现象，长期循环会影响电池的性能和寿命。本工作对某锂离子电池分别进行了4.3 V、4.4 V和4.5 V的过充循环试验，通过对新电池及过充循环后的电池进行开路电压温度系数测试、混合功率脉冲测试和等温量热测试获得了电池的熵热系数、等效直流内阻和产热功率及产热量，并利用Bernadi产热模型计算了电池的可逆热和不可逆热，综合分析过充循环对电池充放电产热特性的影响。结果表明，高的过充电压对电池性能影响更加明显，与新电池相比，4.3 V、4.4 V过充循环后的电池内阻增加并不明显，4.5 V过充循环后电池内阻最大增加了42.41%；过充循环后的电池熵热系数曲线波动更加明显且幅度随着循环电压的增大而增大；相比于放电，过充循环对电池的充电产热特性影响更明显；在电池产热的热源中，过充循环会先对可逆热产生影响，且随着过充电压的升高，可逆热占比呈现出增大的趋势。

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MoS₂/RGO复合材料的电化学性能和第一性原理研究

祝玉婷, 闫共芹, 林羽芊

2023 (3): 698-709. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0669

摘要 ( 253 )

HTML ( 28 )

PDF(7706KB) ( 162 )

利用MoS₂高的理论储锂容量和石墨烯良好的导电性能，采用一步水热法成功制备出卷曲片层状的MoS₂/RGO复合材料，通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、Raman光谱等手段对其进行了结构、形貌、和成分的表征，并通过第一性原理计算了MoS₂和MoS₂/RGO模型的最稳定锂离子吸附位置、电荷密度、差分电荷密度、态密度和扩散能垒。实验结果表明，MoS₂/RGO复合材料在前70次充放电循环中，保持着800 mAh/g以上的高放电比容量，经过100次循环后，放电比容量为515.3 mAh/g，明显高于单一MoS₂(170.8 mAh/g)，同时，该复合材料具有优于单一MoS₂的倍率性能，经过1000 mA/g的大电流密度循环后重新回到100 mA/g时，MoS₂/RGO复合材料仍保持在高的放电比容量(941.2 mAh/g)。第一性原理计算结果表明，在石墨烯的作用下，MoS₂层的Mo原子附近的电荷呈减少趋势，MoS₂/RGO整体态密度增强，使价带中的电子更容易跃迁到导带，同时，MoS₂/RGO较单一MoS₂低的扩散能垒(0.25 eV)使锂离子更容易扩散，这解释了在石墨烯的作用下，MoS₂/RGO复合材料拥有优于单一MoS₂的电化学性能。

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Fe³⁺ 交联的预包覆Fe₃O₄ 纳米粒子改性rGO自支撑膜的储锂性能

曹潘磊, 隋林秀, 冯靖芸, 张维福, 罗城城, 袁小亚

2023 (3): 710-720. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0644

摘要 ( 192 )

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PDF(7900KB) ( 84 )

本工作采用Fe³⁺对含有氧化石墨烯(graphene oxide， GO)预包覆Fe₃O₄的GO自支撑膜进行改性处理制备Fe³⁺诱导交联的预包覆Fe₃O₄纳米粒子复合热还原型氧化石墨烯自支撑膜(Fe³⁺@Fe₃O₄/rGO)。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等测试手段表征材料组成、结构与形貌，并研究Fe³⁺@Fe₃O₄/rGO自支撑膜作为锂离子电池负极的储锂性能。结果表明球状Fe₃O₄纳米颗粒被GO片层紧密包裹，且经过Fe³⁺诱导交联的Fe³⁺@Fe₃O₄/rGO自支撑膜稳定性显著提高；电化学结果表明，在电流密度为100 mA/g恒流充放电循环100次后，Fe³⁺@Fe₃O₄/rGO放电比容量为545 mAh/g，相比Fe³⁺交联前的Fe₃O₄/rGO自支撑膜放电比容量452 mAh/g明显提高，证明Fe³⁺交联后的自支撑复合结构显示出优异的电化学循环稳定性。本工作简捷高效的制备阳离子诱导交联GO自支撑膜的方法也可推广到其他比容量较高的活性电极材料，具有广泛的应用前景。

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生物质衍生碳基材料在钠离子电池负极中的应用

苑雪, 李洪基, 白文慧, 李正曦, 杨立滨, 王恺, 陈哲

2023 (3): 721-742. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0620

摘要 ( 446 )

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PDF(26757KB) ( 273 )

近年来，随着可再生能源的大规模应用，开发安全可靠的储能设备对于解决可再生能源的间歇性、不稳定性等问题，实现能源的持续性输出具有重要意义。锂离子电池作为重要的储能设备已成功应用于多个领域，然而，锂资源储量有限、分布不均匀且成本较高，难以满足未来的应用需求。钠离子电池再次进入研究人员的视野，钠离子电池的储能机理与锂离子电池相似，钠与锂位于同一主族，除物理化学性质与锂相似之外，在储量和成本上同样具有较大优势。开发高容量、优异倍率性能和长循环寿命的负极材料是钠离子电池实现产业化的关键。以资源丰富、成本低廉且可再生的生物质合成的碳基负极材料得到广泛研究，其优良的储钠性能已得到证实，有望成为最具潜力的新型低成本高性能钠离子电池负极材料。本文首先介绍了生物质衍生碳基材料主要来源于植物器官、秸秆和废弃生物质，其次阐述了热解法、化学活化法和模板法等制备生物质衍生碳基负极材料的方法，探讨了不同结构的生物质衍生碳基材料的储钠性能，分析了生物质衍生碳基材料的储钠机制，并展望了生物质衍生碳基负极材料未来的研究方向。

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Li _x （Mg， Ni， Zn， Cu， Co） ₁_-_x O高熵氧化物负极材料电化学储锂特性

刘树港, 蒙波, 李政隆, 杨亚雄, 陈建

2023 (3): 743-753. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0738

摘要 ( 335 )

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PDF(8388KB) ( 173 )

高熵氧化物是一种新型单相固溶体材料，作为转换反应类型的锂离子电池负极材料近年来受到了广泛关注。本工作通过氧化物与LiH固相加热反应合成了预锂化的单相Li _x (Mg，Ni，Zn，Cu，Co)_1-_x O(x=0，0.08，0.16，0.2)高熵氧化物负极材料，并研究了其电化学储锂特性。结果表明，低价态Li⁺在晶格中引入以及电荷补偿作用使得高熵氧化物中形成Co³⁺、Ni³⁺和氧空位，高价态Co³⁺和Ni³⁺的存在提高了转换反应的电子转移数；氧空位的形成提升了高熵氧化物的导电能力，有利于提高转换反应动力学；同时，非活性Mg²⁺充当缓冲基质保证了电化学过程中的结构稳定性。因此，预锂化的Li_0.16(Mg，Ni，Zn，Cu，Co)_0.84O高熵氧化物负极材料在100 mA/g的电流密度下表现出679 mAh/g的高可逆比容量，63.7%的首次库仑效率，较小的电极极化(充放电平台电压差为-0.9 V)，并且在1000 mA/g的高电流密度下，800次循环后可逆比容量仍保持在651 mAh/g，显示出优异的循环稳定性和倍率特性。

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水系锌离子电池二氧化锰正极改性研究进展

婷婷, 林其杭, 刘长洋, 卞刘振, 孙超, 齐冀, 彭继华, 安胜利

2023 (3): 754-767. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0638

摘要 ( 616 )

HTML ( 54 )

PDF(11099KB) ( 352 )

水系锌离子电池(AZIBs)MnO₂正极材料由于具有较高的工作电压和低制造成本等特点而备受关注，MnO₂正极固有的导电性差和充放电过程中结构坍塌等问题，导致其比容量较低和循环稳定性较差，严重制约了AZIBs的发展。本文通过调研相关文献，综述了提高MnO₂正极材料电导率和循环稳定性的策略，重点介绍了MnO₂结构调控、纳米工程、掺杂改性和与高导材料复合等改性策略。通过分析不同晶体结构的MnO₂正极材料的电化学性能，建立了MnO₂晶体结构与电池比容量之间的构效关系。详细分析了不同的合成手段对MnO₂纳米形貌及电池比容量的影响，为不同形貌的MnO₂制备提供了指导。同时分析了元素体相掺杂以及高导电碳基材料的添加对MnO₂电导率和循环稳定性的影响规律。最后对高性能AZIBs用MnO₂正极材料的发展进行了展望，不同的改善策略可以混合使用，并起到协同作用。

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低温水浴法制备钾离子预嵌层状MnO₂ 及其储锌性能

刘起辉, 傅焰鹏, 罗京, 方桃, 施志聪

2023 (3): 768-776. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0612

摘要 ( 290 )

HTML ( 31 )

PDF(5940KB) ( 115 )

本工作采用低温水浴法一步合成K⁺预插层δ-MnO₂(K-δ-MnO₂)，并应用于锌离子电池正极。一方面，K⁺嵌入δ-MnO₂层间结构形成层间支柱，加固其层状结构，增强Zn²⁺在MnO₂中的扩散能力，增大了储锌配位活性位点；另一方面，水浴法在MnO₂结构中引入结构水，能有效屏蔽MnO₂结构对于Zn²⁺的强静电排斥效应，从而使K-δ-MnO₂展现出良好的电化学性能。在0.3 A/g的电流密度下，放电比容量可达401.3 mAh/g；在3 A/g的电流密度下循环1200次后，容量保持率达到83.2%，循环性能优于同等条件下无预插层MnO₂(循环1200次后，容量保持率为55.4%)。进一步采用非原位XRD研究了K-δ-MnO₂充放电过程中电极结构的变化，揭示其储能机理为H⁺和Zn²⁺共插层机制。同时，利用碳纳米管(CNT)与K-δ-MnO₂复合，两者之间形成络合体，有效提高了导电性，进一步巩固层状结构。该复合材料展示了出色的循环性能，在3 A/g的电流密度下循环1200次后，仍有271.7 mAh/g的比容量，容量保持率高达98.6%。水浴法制备的K-δ-MnO₂展现了优秀的电化学性能，且该方法易于工业化生产，在水系锌离子电池正极材料的应用方面具备极大的潜力。

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基于光学显微镜的锂离子电池材料老化衰减原位研究进展

姚逸鸣, 栾伟玲, 陈莹, 孙敏

2023 (3): 777-791. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0684

摘要 ( 378 )

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PDF(25378KB) ( 244 )

先进锂离子电池的发展需要更高性能的电池材料或更优化的电池结构，深入了解电池材料的老化衰减机理是提高电池性能的前提。原位光学显微镜方法具有操作简便、原位反应池模拟环境真实，以及从介观到宏观的大范围尺度进行表征的特点，是目前最适合开展原位研究的表征方法。本文综述了原位光学显微镜方法在锂离子电池材料老化衰减方面的研究进展，介绍了原位光学显微镜方法中原位反应池的典型结构，阐述了该方法应用于锂离子浓度及其分布、析锂、电池材料体积膨胀与开裂和应力应变演化等方面的研究进展。最后，提出了原位光学显微镜方法在光学显微镜分辨率、原位反应池功能性、多表征方法联用以及先进图像处理和分析方法等方面的未来关注方向。

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锂离子电池低温电解液的研究进展

封迈, 陈楠, 陈人杰

2023 (3): 792-807. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0650

摘要 ( 804 )

HTML ( 105 )

PDF(9556KB) ( 525 )

锂离子电池在低温条件下运行时，电池的电化学性能已经不能达到最佳状态，存在容量迅速恶化的问题，这限制了其在极寒地区以及航空、国防军事等特殊领域的应用。因此，提高电池的低温性能成为研究热点之一。本文通过对相关文献的探讨，综述了改善锂离子电池低温性能的策略，着重介绍了电导率较高的新型锂盐、由低熔点和高介电常数组成的混合溶剂以及有助于形成稳定SEI膜的成膜添加剂对电池低温性能的影响，重点分析了上述因素对于锂离子电池低温性能的影响机制。综合分析表明，Li⁺的溶剂化结构与去溶剂化过程在电极界面上的行为直接决定了电池的低温性能。本文强调了从电解液的溶剂化结构入手来设计低温电解液的重要性，为未来低温锂离子电池开发提供了新思路。

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双阳离子型离子液体在能量存储和转化体系中的应用进展

薛凯元, 汪妍, 郎俊伟, 何田, 戴作强, 郑宗敏

2023 (3): 808-821. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0492

摘要 ( 258 )

HTML ( 24 )

PDF(8785KB) ( 78 )

双阳离子型离子液体(DILs)由于具有极高的化学稳定性、电化学稳定性、热稳定性和环境友好等特点，引起了各个领域研究者的广泛关注。本文从DILs的结构特点出发，综述了不同阴阳离子和连接基团对DILs理化性质的影响，并对一些典型的合成路径进行了总结。本文重点对DILs在不同储能和转化器件的电解液体系中的研究现状进行总结和分析：在锂离子电池电解液中，基于DILs的电解液不仅具有高电位窗口和阻燃特性，还有助于稳定固态电解质膜的形成，能够更好地改善电池系统的稳定性和可逆性；在超级电容器电解液中，DILs具有宽的电化学窗口，但其较大的黏度严重阻碍了离子运动，尽管添加常规有机溶剂可降低黏度，但由于溶剂化效应而带来的溶剂分解等副反应也严重影响了电容器性能。除此之外，本文还总结了DILs在锌空气电池、质子交换膜燃料电池、染料敏化太阳能电池、氧化还原液流电池以及电催化中的探索研究，最后对目前DILs在电解液体系应用过程中存在的问题和将来主要的研究方向进行了总结。

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废旧锂电池负极石墨失效机制及回收利用研究进展

蒋龙进, 张顺, 乔羽, 刘臣臻, 饶中浩

2023 (3): 822-834. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0699

摘要 ( 479 )

HTML ( 56 )

PDF(5716KB) ( 390 )

为了满足可持续能源和绿色发展的需求，近年来锂电池市场持续增长，势头迅猛。然而，受限于一定的使用寿命，锂电池退役潮也随之来袭，废旧锂电池不仅会造成资源浪费还会产生严重的环境污染，因此废旧锂电池的回收是不可避免的问题。石墨具有成本低、储量丰富、能量密度高、功率密度大及循环寿命长等优点，是一种理想的负极材料，在锂电池负极材料中占据主导地位。目前关于电池回收的研究主要集中于正极材料中金属的回收，但负极材料的回收问题同样不容忽视。本文通过对近期相关研究的探讨，简单回顾了锂电池回收的现状，着重强调了负极石墨材料回收的必要性，介绍了负极部分的主要失效机制包括其对负极石墨材料所造成的影响和变化，总结了废旧锂电池负极石墨的特点。综述了近年来关于锂电池负极石墨材料回收相关研究进展，包括再生、改性及再利用等方面，指出了负极石墨回收所面临的挑战，并对未来锂电池负极石墨材料回收再利用技术提出了展望，以促进电池产业的可持续发展。

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铁轨重力储能系统效率影响因素研究

秦婷婷, 周学志, 郭丁彰, 盛勇, 徐玉杰, 左志涛, 李辉, 陈海生

2023 (3): 835-845. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0634

摘要 ( 315 )

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PDF(3708KB) ( 173 )

储能是建设以新能源为主体的新型电力系统的重要支撑技术，对实现“碳达峰碳中和”目标具有重要意义。铁轨重力储能属于物理储能，具有规模大、成本低、效率高、环境友好以及无自放电等优势，应用前景广阔。本工作基于MATLAB/Simulink搭建了铁轨重力储能系统模型，分析了系统各个部件在储能过程和释能过程中的能量损耗情况，研究了载重车辆质量、车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数等因素对系统效率的影响及其变化规律。研究结果表明，车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数对系统效率的影响十分显著，降低速度和滚动摩擦系数以及适当增加坡度和高度，可有效提高系统效率；在设计工况下，载重车辆160 t、车速20 km/h、斜坡高度200 m、斜坡坡度7°、滚动摩擦系数0.006，对应系统的输出功率为1.04 MW，系统效率达76.20%。

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计及多时间尺度不确定性的电-氢一体化储能站随机-鲁棒混合规划

倪鸾, 王育飞, 薛花, 于艾清

2023 (3): 846-856. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0726

摘要 ( 174 )

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PDF(2084KB) ( 143 )

考虑源-荷双侧长期不确定性对电-氢一体化储能站规划结果鲁棒性的影响，提出一种计及多时间尺度不确定性的储能站容量规划方法。首先，构建电-氢混合系统结构，并设计储能站主要运行模式；其次，考虑风、光、电、氢的时序相关性，提取考虑短期不确定性的源-荷双侧的时序典型场景，以年综合成本最小为目标，建立基于多场景随机优化的储能站容量规划模型；然后，进一步考虑长期不确定性，基于信息间隙决策理论对规划模型进行改进，提出考虑长-短期不确定性的储能站随机-鲁棒混合规划方法；最后，基于某风光电场历史数据进行仿真验证，并对缺能惩罚成本系数和氢气价格等关键因素进行灵敏度分析。仿真结果表明，所提方法可合理规划电-氢一体化储能站容量，提高电-氢混合系统的风险规避能力。

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基于Simscape的质子交换膜燃料电池冷却系统建模与温度控制策略

王星, 孙俊, 陈宁芳, 闫立

2023 (3): 857-869. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0703

摘要 ( 341 )

HTML ( 30 )

PDF(3564KB) ( 184 )

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷却系统模型精度且能够方便有效地对其实现控制，提出基于 Simulink/Simscape构建膨胀水箱、冷却液循环泵、散热器等关键冷却系统模块，对燃料电池冷却系统进行物理建模仿真；水冷型燃料电池电堆的温度与冷却液出入堆温差主要受散热器的空气流量与循环水的流量影响，针对空气流量与循环水流量存在强耦合关系，提出了冷却液流量跟随电流控制，线性自抗扰控制空气流量的联合控制策略，实现了散热风扇和循环水泵控制的解耦；为保证控制策略的有效性，减少整定参数的工作量，提出了精英遗传算法优化ADRC(自抗扰控制)参数的方法，优化后的控制策略应对输入有扰动时，系统的最大超调量仅有1.23%且能在30 s内再次达到稳定，因此能够对燃料电池电堆温度实现有效控制。仿真结果表明通过优化后的控制策略在无干扰或有白噪声干扰的阶跃负载电流影响下，都能够对电堆温度与冷却液温差实现有效控制，具有很强的鲁棒性与抗干扰能力。

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液流电池冷热电储综合能源系统优化设计

郑新, 于浩, 郭霄宇, 周颖, 左元杰, 刘雨佳

2023 (3): 870-877. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0674

摘要 ( 225 )

HTML ( 33 )

PDF(2569KB) ( 103 )

针对北方某园区办公建筑物提出了基于光伏发电、铁-铬液流电池储能、热泵冷热双供、水储能等关键技术的冷热电储综合能源系统方案，并对能源系统进行全年逐时能耗分析和效益分析，通过编写计算程序、优化算法等处理方法，考虑了初投资、全年能耗、运行成本、节能率、全生命周期成本等评价指标，开展迭代优化设计。结果表明：当储罐体积为920 m³、热泵台数为14台时，热泵储能耦合方案为最优，全生命周期成本为1347.08万元。利用铁-铬液流电池储能系统进行储电储热、水储能系统储热储冷，使得全年平均光伏用电占全部用电的65.3%。在冷热能源供应层面，储能供应占全部供冷供热能量的67%以上，其中3月、9月、11月实现100%储能供能。

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基于喷雾换热的压缩空气准等温膨胀系统实验研究及性能分析

虞启辉, 魏志刚, 孙国鑫, 路亮

2023 (3): 878-888. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0672

摘要 ( 250 )

HTML ( 16 )

PDF(3927KB) ( 122 )

压缩空气储能(CAES)在一定程度上能够提高电网输电可靠性，是目前最具前景的储能技术之一，但系统工作循环效率低限制了其进一步发展。因此，为提高系统工作循环效率，对CAES系统工作过程进行相关研究。在压缩空气膨胀过程中喷入高温水雾以增强空气与水雾之间的热交换，从而实现气体的准等温膨胀，是提高CAES系统工作循环效率的有效途径。首先，本工作建立了压缩空气准等温膨胀数学模型；其次，搭建基于喷雾换热的压缩空气准等温膨胀系统进行相关实验研究，并对数学模型进行验证；最后，为获得压缩空气准等温膨胀系统的相关性能，利用所建立的数学模型，对系统工作过程中缸内空气压力和温度的变化情况以及影响系统输出功和释能效率的参数进行研究。研究结果表明：进气压力为1 MPa时，与绝热膨胀相比，准等温膨胀缸内空气最大温差仅为绝热膨胀的14.4%，系统输出功增加147 J，释能效率提高19.24%。当喷雾压力为6 MPa、进气压力为0.5 MPa时，系统释能效率可达81.41%。本研究为基于喷雾换热的压缩空气准等温膨胀研究提供理论支持。

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储能电池组多阈值自适应聚类群组均衡控制

郭向伟, 吴齐, 王晨, 许孝卓, 赵良军

2023 (3): 889-898. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0616

摘要 ( 151 )

HTML ( 26 )

PDF(3417KB) ( 126 )

为降低储能电池组内各单体间不可避免的一致性差异，提出一种多阈值自适应聚类群组均衡控制方法。首先，引入结构简单、控制简单、均衡功能完善的单电感储能均衡拓扑，并分析了其均衡原理和控制信号占空比设计过程；其次，提出一种多阈值自适应聚类群组均衡控制方法，在引入自适应聚类均衡思想的同时，基于一致性差异较小的相邻单体建立群组均衡控制方法，实现均衡能量在包含不同个数相邻单体的电池群组间转移；最后，通过仿真实验，验证了所提多阈值自适应聚类群组均衡控制相比于基于极差的“单对单”均衡控制，在初始荷电状态(state of charge，SOC)分布中间高、两边低，两边高、中间低，均匀分布的情况下，在保证均衡效率的前提下，均衡速度分别提高了40.4%、24.6%和17.5%，并且均衡结束后各单体SOC相比于电池组平均SOC的离散程度更小。本工作创新了大数量单体构成的储能电池组的均衡思路，有助于改善储能电池组内各单体的一致性差异，提高其能量利用率及循环寿命，促进储能电池组的应用。

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锂离子电池热失控多维信号演化及耦合机制研究综述

李奎杰, 楼平, 管敏渊, 莫金龙, 张炜鑫, 曹元成, 程时杰

2023 (3): 899-912. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0694

摘要 ( 659 )

HTML ( 64 )

PDF(7354KB) ( 364 )

锂离子电池热失控问题是当前电化学储能电站安全的核心问题。准确详尽地掌握电池热失控过程是实现储能电站主动安全预警的前提。然而，锂离子电池是具有复杂非线性特性的电化学系统，其热失控过程将在多维物理场上表现出不同的信号特征，现有仅靠电压和温度等外特性信号的电池管理系统难以全面客观地监测电池的安全健康状态。因此，研究电池热失控过程中多维信号的演变及耦合机制具有重要意义。本文系统综述了锂离子电池热失控过程中的热、电、机械和气体四个维度的特征信号的演变规律，分析不同维度物理场信号之间的耦合特征，并展望基于多维传感信号融合的电池主动安全预警技术在储能电站的应用。

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基于扩展卡尔曼滤波的储能电池能量和功率状态联合估计方法

刘子豪, 张雪松, 林达, 孙立清, 李正阳, 熊瑞

2023 (3): 913-922. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0637

摘要 ( 297 )

HTML ( 28 )

PDF(3140KB) ( 115 )

电池储能是碳中和目标的有力抓手，准确估计其能量状态(state of energy，SOE)和峰值功率状态(state of power，SOP)是电池储能高效可靠运行的关键和基础。由于电池的电化学反应过程十分复杂，作为隐性状态量的SOE和SOP精确值难以获得。为此，本工作提出了一种基于模型SOE和SOP联合估计方法。应用Thevenin等效电路模型，采用递归最小二乘法建立了在线参数辨识算法，获得准确的模型参数。为解决恒定功率需求下的功率预测难题，提出了多步功率预测法，提高了SOP的预测精度，并结合扩展卡尔曼滤波算法，进一步提出了多状态联合估计方法。实验验证了算法的可行性，结果表明，在存在较大初始误差的情况下，所提出的方法电压、SOE最大预测误差均<2%，实现了准确的SOP预测。

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储能用大容量磷酸铁锂电池热失控行为及燃爆传播特性

程志翔, 曹伟, 户波, 程云芳, 李鑫, 姜丽华, 金凯强, 王青松

2023 (3): 923-933. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0690

摘要 ( 686 )

HTML ( 105 )

PDF(6887KB) ( 542 )

随着电化学储能应用规模的持续扩大，使用锂离子电池的电化学储能电站火灾燃爆事故时有发生，引发社会的广泛关注。锂离子电池的安全性是影响储能电站安全的重要因素，分析储能用锂离子电池的热失控行为及燃爆特性是有效防控储能电站火灾事故的关键。本工作选用储能用280 Ah磷酸铁锂电池为研究对象，基于锂离子电池热失控及产气分析测试平台，采用加热方式触发电池热失控，分析其产热、质量损失以及产气特性。进一步采用傅里叶变换红外光谱仪以及氢气传感器测量热失控过程产气成分，通过卷积分析得到气体组分占比，其中氢气和二氧化碳分别占36.8%和44.2%。通过FLACS软件建立电池储能液冷舱1∶1模型，分析了不同条件下磷酸铁锂电池产气发生燃爆的动压及火焰危害范围。研究发现，在电池储能舱内发生的燃爆行为受到舱室内部泄压开启压力和周边障碍物的影响，而其中当舱门开启压力从10 kPa增长到100 kPa时，爆炸超压峰值增长为2.15倍。该研究可为储能电站锂离子电池火灾事故预警、集装箱结构和防爆设计提供参考。

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改进的萤火虫算法优化反向传播神经网络动力锂离子电池健康状态估计

赵鑫浩, 许亮

2023 (3): 934-940. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0668

摘要 ( 193 )

HTML ( 22 )

PDF(1331KB) ( 147 )

为保证电池的正常运行，对电池的健康状态进行估计是非常重要的工作。针对传统建模方法估计精度差、参数众多计算复杂且耗时长等缺点，本工作构建了基于改进的萤火虫算法(firefly algorithm，FA)优化的反向传播(back propagation，BP)神经网络，对锂离子电池的健康状态(state of health，SOH)进行估计，利用萤火虫算法的全局优化能力和收敛速度快的特点对BP神经网络的权值和阈值进行优化，并引入莱维飞行(Levy flight)，提升全局搜索能力，扩大搜索范围，提高了估计精度。采用NASA艾姆斯研究中心的锂离子电池数据集，对改进优化前后的算法进行训练与估计，对比各算法之间的优劣程度。结果表明，莱维飞行改进萤火虫算法优化反向传播神经网络(LFFA-BP)算法相比于BP神经网络算法与萤火虫算法优化反向传播神经网络(FA-BP)算法，决定系数更高，误差波动范围更小，具有较高的估计精度。

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基于PNGV模型与自适应卡尔曼滤波的铅炭电池荷电状态评估

陈正, 王志得, 牟文彪, 祝培旺, 肖刚

2023 (3): 941-950. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0697

摘要 ( 226 )

HTML ( 17 )

PDF(2865KB) ( 118 )

储能电池应用广泛，准确估计储能电池的荷电状态(state of charge，SOC)对提高电池健康状态有重要意义。铅炭电池作为一种高性能、低成本、高安全性的新型储能电池，在储能电站等场景受到广泛关注，而目前尚缺少铅炭电池SOC估计相关研究。本工作首先通过静流间歇滴定技术探究铅炭电池的荷电状态与开路电压关系，后通过混合脉冲功率性能试验得到铅炭电池的伏安特征数据，建立一阶Thevenin和一阶PNGV等效电路模型，利用基于代理模型和灵敏度分析的随机算法(surrogate optimization algorithm，SOA)对两种等效电路模型进行参数辨识。在此基础上，利用扩展卡尔曼滤波算法(extended Kalman filter，EKF)估计铅炭电池SOC，估算过程考虑噪声干扰。另外，在铅炭电池SOC初值未知的情况下，EKF算法不能准确估计铅炭电池SOC。因此，本工作提出采用自适应扩展卡尔曼滤波算法(adaptive extended Kalman filter，AEKF)对铅炭电池进行状态估计，来弥补EKF的不足。结果表明，在存在噪声且SOC初值未知的情况下，AEKF算法较EKF算法和安时积分法更能准确估计铅炭电池SOC，在给定SOC初值为0.9时，误差最小，为3.91%，验证了算法的有效性与适用性，提高了铅炭电池荷电状态估计的准确性和可靠性。

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关于动力电池设计参数在不同倍率下的放电容量的敏感度仿真分析

蒲小雪, 杨少波, 庹爱雪, 牟丽莎, 那琦

2023 (3): 951-959. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0681

摘要 ( 151 )

HTML ( 38 )

PDF(2568KB) ( 160 )

本工作针对三元锂电池建立了电池电化学仿真经典的P2D模型，并通过仿真手段定量分析电池正极活性颗粒粒径、负极活性颗粒粒径、正极极片厚度、负极极片厚度、隔膜厚度对电池0.1～3 C倍率放电容量的影响，对仿真模型标定以及性能定制化开发具有重要意义。通过仿真数据可知，正极活性颗粒粒径对电压-容量曲线的影响集中在电压高于3.3 V的部分；负极活性颗粒粒径对电压-容量曲线的全电压段均有影响；正极极片厚度对电压-容量曲线的全电压段均有影响；负极极片厚度对电压-容量曲线的影响集中在电压低于3.6 V的部分；隔膜厚度对电压-容量曲线无影响。汇总分析仿真结果可知，正负极极片厚度是电池容量的正响应因素，负极粒径是电池容量的负响应因素，且均符合平方多项式关系；正极颗粒粒径和隔膜厚度对放电容量不影响。

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基于壅塞流的动力电池防爆阀泄压特性的动态仿真

厉运杰, 张光雨, 祝维文, 闵远远, 饶成飞, 孙言飞, 徐庆庆

2023 (3): 960-967. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0442

摘要 ( 296 )

HTML ( 51 )

PDF(4640KB) ( 542 )

防爆阀作为缓解电池系统热失控的被动安全措施，在电芯设计中扮演着非常重要的角色，防爆阀的开启压力、阀体面积及阀体位置对电芯热失控后的泄压过程有着重要影响。本工作主要介绍了动力电池热失控后产热产气导致防爆阀开启的泄压过程，通过理论计算、实验测试及仿真分析相结合的方式，对防爆阀的泄压特性进行了系统阐述与分析。首先，基于流体力学基本原理和方程从理论上对防爆阀的泄压过程进行了分析，阐述了电芯热失控过程中防爆阀开启后的泄压壅塞流基本状态；其次，通过开展无阀电芯的加热热失控和过充热失控两类实验，实验中实时监测了电芯热失控过程中卷芯的温度和电芯的内压，从而得到电芯热失控过程中防爆阀开启前电芯的产热产气速率；最后，对电芯的产热产气及泄压过程进行仿真，基于COMSOL软件，建立了动力电池防爆阀泄压过程的系统模型。且对防爆阀的开启压力、阀体面积及阀体位置等影响因素进行了归类仿真分析，并与实验数据进行了对比验证，得到了较为优化的防爆阀结构设计，为动力电池优化设计提供了一定的参考。

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含相变储能的风/光/热电联产综合能源系统优化调度

胡健, 任育杰, 杜金魁, 刘元, 刘丹

2023 (3): 968-975. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0515

摘要 ( 189 )

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PDF(2203KB) ( 83 )

随着电网中风电和光伏的占比不断提高，在供暖期热电联产机组调峰能力不足导致的弃风、弃光问题愈发凸显。相变储能技术对提升综合能源系统的灵活性、鲁棒性具有积极作用。为此，本工作建立了含热泵相变储能系统的风/光/燃气热电联产综合能源系统模型，模型以弃风、弃光量最少和总运行成本最低为优化目标，以系统总热电功率平衡、各能源模块出力和储能设备容量状态等为约束条件，提出了一种基于精英反向学习的双适应度粒子群优化算法，精英反向学习策略提升了算法的求解性能，双适应度算法解决了罚因子难以取值的问题，通过案例证明了改进后的优化算法具有更强的全局寻优能力和更快的计算速度。结果表明增设相变储能系统可以有效提升系统的风电、光伏利用率，系统的弃风、弃光量由不含相变储能系统时的722.1 kWh/d下降到163.4 kWh/d，降幅达77.4%；相变储能系统提升了系统内热电联产机组的运行稳定性，降低了天然气消耗量，系统运行成本从2488.5元/天降到2389.5元/天，经济效益显著。

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电动汽车全生命周期碳排放

康小平, 聂慧慧, 郜敏, 吴凤彪

2023 (3): 976-984. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0618

摘要 ( 713 )

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PDF(3556KB) ( 404 )

汽车全生命周期的碳排放规律是研究汽车碳减排路径的必要条件。为获得电动汽车全生命周期碳排放规律，利用碳排放因子法建立了从材料获取到整车生产，再到使用、回收再利用的碳排放计算模型。以比亚迪E6汽车为例，依据2021年电力结构数据对其全生命周期碳排放计算，从生命周期的不同阶段、整车组成部件和材料的角度分析了碳排放特点，并分析了动力电池回收再利用技术和电力结构的碳减排潜力。结果显示：使用阶段碳排放占比最高，达到88.4%，其次是材料获取阶段，碳排放占7.8%，回收再利用阶段碳排放为负值，产生正效益；能有效回收再利用的核减碳排放量，核减量占总碳排放量22.1%，动力电池采用梯次利用技术再利用率最高，使动力电池在材料获取阶段碳排放占比下降到7.3%；碳排放量占比最大部件为车身，碳排放量占比最大材料为塑料；当电力结构中清洁能源占比达到67.5%，单车碳排放量是2021年排放量的54.6%；当电力结构中清洁能源占比达到96%，单车碳排放量是2021年排放量的20.3%。研究结果为我国汽车碳减排政策制定和行业技术改进提供了科学依据。

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“双碳”背景下新能源材料与器件专业人才培养探索与实践

刘劲松, 张校刚

2023 (3): 985-991. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0735

摘要 ( 354 )

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PDF(1988KB) ( 197 )

新能源是一种既能减少环境污染又能缓解能源危机的绿色环保可再生能源，被认为是未来世界经济发展中最具有决定性影响的技术领域之一。新能源的转化、储存和利用关键依赖于新能源材料与器件、储能科学等技术的发展。在当前国家能源规划和双碳战略实施背景下，社会经济及新能源产业发展对我国高等学校新能源材料与器件专业人才培养提出了新的要求。南京航空航天大学的新能源材料与器件专业自2019年获批以来已进行了4年的建设，目前在读本科生共计124名。本文从特色培养目标的设定、跨学科交叉课程体系的构建和系统性实践能力的培养等3个方面展开论述，详细分析了致力于高级综合型技术人才培养，兼具航空航天传统优势与特色体现及紧密结合新能源产业需求与技术发展特征的专业培养目标，展现了基础扎实、融合交叉、方向多样、重视实践等特点的系统课程体系和由基础实践、创新实践、综合实践联合构建的校内外基地相互配合协调的完整实践能力培养体系，尝试探索符合社会经济及新能源产业发展需求的新的人才培养模式，为新能源材料与器件专业更好地发展提供借鉴和参考。

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基于大型语言模型的工具对电池研究的机遇与挑战

吴思远, 王雪龙, 肖睿娟, 李泓

2023 (3): 992-997. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0071

摘要 ( 734 )

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近期，ChatGPT和GPT-3等大型自然语言模型的出现在学术界引发巨大热议；此外，Nature出版集团指出可以使用ChatGPT辅助文章撰写，这表明人工智能特别是自然语言处理将在学术文献领域引起巨大改变。对于电池领域来说，目前这些工具在电池以及储能领域有什么作用，它们在电池领域存在哪些问题以及如何改进这些问题尚未有文章讨论。本文在文献自动化整理与模型试用的基础上归纳了电池领域开展信息自动整理归类的问题与挑战、面对大型语言模型电池领域特别是储能从业人员如何面对以及学习，强调由于一些术语未按照标准化书写导致电池领域获取高质量数据集存在较大阻碍，这些将限制着电池研究中引入大型语言模型技术的发展。

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建筑用相变储能混凝土材料的制备和力学性能

卢倩

2023 (3): 998-999.

摘要 ( 25 )

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绿色建筑的节能减排效应宋健

宋健

2023 (3): 1000-1001.

摘要 ( 127 )

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PDF(441KB) ( 140 )

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阀控式密封铅酸蓄电池槽设计中计算机技术的应用与研究

张星洒, 张学超

2023 (3): 1002-1003.

摘要 ( 48 )

HTML ( 10 )

PDF(406KB) ( 61 )

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基于区块链技术的共享储能交易模型分析

王慧敏

2023 (3): 1004-1005.

摘要 ( 72 )

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计算机技术在新能源储能系统中的应用

许正博

2023 (3): 1006-1007.

摘要 ( 83 )

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储能科学与技术类课程融入思政元素探讨

赵远鹏, 李聪

2023 (3): 1008-1009.

摘要 ( 61 )

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PDF(369KB) ( 115 )

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《储能科学与技术》征订单

2023 (3): 1010-1010.

摘要 ( 13 )

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