储能科学与技术

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2023 (8): 0.

摘要 ( 60 )

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LiF添加剂改善含锂陶瓷隔膜与4.35 V LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 正极的界面稳定性

黄永浩, 臧国景, 朱霨亚, 廖友好, 李伟善

2023 (8): 2361-2369. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0128

摘要 ( 146 )

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PDF(5804KB) ( 134 )

锂离子电池用LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）正极，具有较高比容量和较低成本的优点，但是其在高电压长循环时正极界面极不稳定、安全性能亟待提高。虽然锂快离子导体Li_1.2Ca_0.1Zr_1.9（PO₄）₃制备的陶瓷隔膜在很大程度上可以解决电池的安全性问题，但是与NCM811正极界面稳定性差。本工作通过在陶瓷隔膜中添加具有稳定界面功能的氟化锂（LiF）的方法来解决此问题。采用扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、机械拉伸强度、热收缩、吸液率、电化学阻抗谱（EIS）、线性扫描伏安法（LSV）和充放电测试等方法进行表征。结果表明，当LiF占涂覆无机陶瓷颗粒总质量的10%时，得到的陶瓷隔膜性能最佳：具有良好的离子传输性能（室温离子电导率提高至9.5×10^-4 S/cm）和最佳的界面稳定性。隔膜组装的Li||LiNi_0.8Co_0.1Ni_0.1O₂扣式电池在3.0～4.35 V的高电压范围以0.3 C倍率循环400次后，放电比容量从195.2 mAh/g减少到119.9 mAh/g，保持初始容量的61.4%，而没有添加LiF的陶瓷隔膜电池仅为32.7%。含LiF的陶瓷隔膜提升电池循环稳定性的原因是形成了高质量的高压正极/电解质界面膜，稳定了正极与陶瓷隔膜的界面，使正极材料在高电压下仍能保持结构的稳定。因此，本工作制备的陶瓷隔膜为NCM811正极在高电压锂离子电池中的商业化应用提供了一种便捷方法。

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Nb掺杂Na₃V₂O₂ （PO₄ ） ₂F空心微球钠离子电池正极材料的制备与性能

张梓楠, 陈剑

2023 (8): 2370-2381. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0177

摘要 ( 105 )

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Na₃V₂O₂(PO₄)₂F(NVOPF)具有较稳定的聚阴离子结构、较高的工作电压和理论比能量，是一种具有良好应用前景的钠离子电池正极材料。但该材料在合成过程中易发生不规则团聚，且本征电导率低，导致材料的实际比容量较小，倍率性能和循环性能有待提高。通过离子掺杂以及合成具有微纳结构的材料可以有效提高这类材料的结构稳定性和电导率。本工作首次报道了多元醇辅助水热法合成具有空心微球结构的Nb⁵⁺掺杂NVOPF[NVNOPF，Na₃V_2-_x Nb _x O₂(PO₄)₂F(0≤x≤0.15)]材料。所制备的NVOPF和NVNOPF是尺寸为0.7～1.0 μm的具有中空结构的微球。可以发现微球由尺寸小于100 nm的纳米颗粒组成。纳米颗粒缩短钠离子的扩散距离，并且缓冲了由于钠离子的嵌入/脱出所导致的体积变化，提高了材料的循环稳定性。同时，掺杂Nb⁵⁺增大了NVOPF的晶格参数，增大了Na⁺扩散通道，将Na⁺在NVOPF中的固相扩散系数由Na₃V₂O₂(PO₄)₂F的6.46×10^-16 cm²/s提高至Na₃V_1.90Nb_0.10O₂(PO₄)₂F的3.52×10^-15 cm²/s。Na₃V_1.90Nb_0.10O₂(PO₄)₂F材料以0.1 C倍率放电，首次放电比容量达126.4 mAh/g；以10 C倍率放电，初始比容量为98.1 mAh/g，500周循环后的容量保持率为95.2%，明显优于未掺杂材料的66.8%。研究结果显示掺杂Nb⁵⁺的空心球形微纳结构有效提高了NVOPF材料的电化学性能和循环稳定性。

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多晶及单晶高镍三元材料LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂ 的可控制备及其电化学储锂特性

张吉禄, 董育辰, 宋强, 袁思鸣, 郭孝东

2023 (8): 2382-2389. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0171

摘要 ( 254 )

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随着电动汽车电源及储能技术的快速发展，高镍三元层状氧化物因其高容量和低成本等优势，成为动力电池首选正极材料之一，但是高镍三元材料面临循环性能和倍率性能差等问题，严重限制了其规模化应用。高镍单晶可以有效减缓颗粒裂纹的产生，从而提高高镍正极材料的循环稳定性，但是高镍单晶严苛的制备条件限制了其开发与应用。本工作通过共沉淀-高温固相法和熔盐法分别制备出多晶高镍材料LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂(NCM-PC)和单晶LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂材料(NCM-SC)，并通过电子显微技术(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、恒电流间歇滴定技术(GITT)和电化学测试对两者的晶体结构、微观形貌、电化学性能及Li⁺传输动力学进行了系统研究。研究表明，NCM-PC具有较高的锂离子扩散系数，导致其优异的倍率性能，在10 C充放电倍率下，其放电比容量高达164 mAh/g。尽管NCM-SC的高倍率性能欠佳，但其循环性能优异，在3 C倍率下，经100次循环后其容量保持率高达89 %。本研究为进一步探索单晶/多晶超高镍(Ni≥90%)正极材料尺寸调控及性能优化提供了参考。

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硫系电解液添加剂对镍钴锰酸锂//石墨锂离子电池性能的影响

夏恒恒, 梁鹏程, 安仲勋

2023 (8): 2390-2400. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0250

摘要 ( 204 )

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本工作系统研究了6种添加剂[碳酸亚乙烯酯(VC)、亚硫酸乙烯酯(ES)、硫酸乙烯酯(DTD)、1，3-丙二醇环硫酸酯(PCS)、1，3-丙烷磺酸内酯(PS)、1，3-丙烯磺酸内酯(PST)]对镍钴锰酸锂(NCM111)//石墨体系锂离子电池电化学性能的影响，通过对比首次充放电效率、放电容量、倍率特性、低温放电能力、高温存储性能以及循环寿命等发现：VC在各方面性能比较均衡，碳碳双键(C＝C)能够改善成膜特性，循环性能优异，可独立使用；ES在化成、循环和存储过程中因电解液持续分解而胀气，无法单独使用；硫酸酯添加剂(DTD和PCS)能够明显降低阻抗并提升低温性能，但高温性能稍差；磺酸内酯添加剂(PS和PST)对抑制高温胀气效果突出，含有双功能基团的PST循环性能及抑制电压衰减的能力优于PS，但低温阻抗较高。综合对比发现，单组分硫系添加剂在某些性能方面有自己的特色，但也存在显而易见的缺陷，无法独立使用。通过与VC进行等比例复配，硫系添加剂循环性能差的问题得以解决，而高首效、低内阻、大倍率和高温稳定性等特色功能得以保持，二元联用后的综合性能显著优于单组分添加剂，采用添加剂联用方式来改善电池综合性能是较佳选择。

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冠醚掺杂的聚合物固态电解质对全固态锂电池性能的影响

刘欢, 彭娜, 高清雯, 李文鹏, 杨志荣, 王景涛

2023 (8): 2401-2411. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0204

摘要 ( 158 )

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聚氧化乙烯(PEO)基固态电解质由于高的柔韧性、优异的加工性以及良好的界面兼容性等在全固态锂电池中极具应用前景，但其较低的室温离子电导率和较窄的电化学窗口限制了其高效应用。本工作采用溶液浇铸法将含有极性官能团的冠醚(15-C-5)分子分散在PEO/双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)基质中制备PEO/15-C-5聚合物固态电解质。重点探究冠醚含量对固态电解质中Li⁺传递的影响，同时对聚合固态电解质的形貌、力学性能、电化学性能进行系统研究。结果表明：10% 15-C-5在PEO中分散性较好，可有效降低PEO的结晶度，进而提升PEO链段运动性，使其抗拉强度达1.83 MPa。15-C-5与锂离子间强的络合作用促进锂盐解离，同时对阴离子产生静电排斥，从而增强离子电导率并提高锂离子迁移数，30 ℃下离子电导率达到1.00×10^-5 S/cm，60 ℃下锂离子迁移数达到0.42，分别是PEO电解质的4.5和1.9倍。另外冠醚与阴离子形成的静电排斥中心易捕获锂离子形成较为稳定的悬停位点，降低了PEO链段形成的O-Li络合活性位点促进C-O-C结构分解的可能性，从而提高PEO电解质的分解电压(从4.29 V到5.42 V)。与镍钴锰三元正极匹配的全固态锂电池展现出稳定的长循环性能，其在60 ℃、0.5 C的条件下初始放电比容量达到159 mAh/g，经100圈循环之后容量保持率达到89%。与磷酸铁锂正极匹配组装的全固态锂电池同样表现出优异的性能。

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Sc/O掺杂硫化物固态电解质的制备及全固态电池性能

赵争光, 陈振营, 翟光群, 张希, 庄小东

2023 (8): 2412-2423. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0236

摘要 ( 242 )

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近年来，硫化物固态电解质凭借其高安全性、高离子电导率、较宽电化学窗口等诸多优点受到了人们的广泛关注。掺杂改性被认为是一种提高硫化物固态电解质电化学性能的有效方法。鉴于稀土元素具有独特的电子结构与功能特性，掺杂稀土元素已成为提升固态电解质的离子导电性和降低晶界阻抗的有效策略之一。本工作使用稀土元素化合物氧化钪(Sc₂O₃)作为掺杂剂合成了一系列改性后的硫化物固态电解质。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜以及色散能谱(EDS)等表征手段证明了Sc₂O₃的成功掺杂。通过使用交流阻抗法测试了其电导率，结果表明当Sc₂O₃的掺杂量为x=0.04时，Li_6.08P_0.96Sc_0.04S_4.94O_0.06Cl硫化物固态电解质显示出较高的离子电导率，可以达到3.17×10^-3 S/cm。用Sc₂O₃掺杂量为x=0.04的硫化物固态电解质Li_6.08P_0.96Sc_0.04S_4.94O_0.06Cl组装锂-锂对称电池显示出0.95 mA/cm²的高临界电流密度(CCD)和在0.1 mA/cm电流密度下超过300 h的稳定锂-锂对称电池循环过程。Li_6.08P_0.96Sc_0.04S_4.94O_0.06Cl基全固态电池显示出了249.03 mAh/g和191.2 mAh/g的首圈充放电比容量以及76.78%的首圈充放电效率，循环950圈后仍能保持123 mAh/g的放电比容量。即使在空气中暴露90 min后，Li_6.08P_0.96Sc_0.04S_4.94O_0.06Cl电解质仍能表现出较好的晶形结构和良好的全固态电池循环性能。本工作为提高Li₆PS₅Cl型硫化物固态电解质的电化学性能提供了新的思路。

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基于梯度孔隙率金属泡沫的复合相变单元储热性能数值模拟

严景好, 李杰, 李一鸣, 孙小琴, 席丽娜, 姜昌伟

2023 (8): 2424-2434. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0289

摘要 ( 111 )

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向相变材料中添加金属泡沫可以解决相变材料低导热率引起的换热效果较差等问题，提高系统的整体蓄热效率。然而，复合相变材料的传热性能受金属泡沫孔隙率分布的影响较显著，为进一步提高相变储能单元的传热性能，本工作基于低孔隙率金属泡沫-相变材料(PCM)复合储能系统，建立了一种新的梯度孔隙率金属泡沫结构，通过数值模拟方法，对蓄热单元熔化过程中的熔化率、储能速率、储能总量进行分析，系统研究了孔隙率沿加热方向负梯度分布、正梯度分布对复合相变材料熔化速度和储热性能的影响。研究结果表明，负梯度孔隙率结构可以进一步提高储能系统的储热效率，其中，孔隙率梯度为0.12(案例S-6)时增强效果最显著。在熔化周期的不同阶段，负梯度孔隙率对复合材料的传热均有不同程度增强，对于S-6，在1000 s、2000 s、2600 s时，熔化率相较于均匀孔隙率结构分别增加了0.67%、2.31%、9.90%；随着孔隙率梯度的增加，相变材料的热性能提高越显著，与均匀孔隙结构相比，改进的负梯度孔隙率结构其完全熔化时间最高可缩短7.32%，储热速率可提高8.02%。对于正梯度孔隙率结构，其对熔化速度没有显著影响，但是储热总量可提高0.49%。

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膨胀石墨/多壁碳纳米管基共晶盐复合相变材料的制备及热特性

张琦, 李银雷, 栗艳芳, 宋俊, 吴学红, 刘重阳, 张雪龄

2023 (8): 2435-2443. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0245

摘要 ( 82 )

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单一水合盐作为相变蓄热材料使用时常常由于过冷、相分离、易泄漏以及其相变温度而受到限制，因此迫切需要制备出一种储热密度高、相变温度适宜、热导率大的复合相变材料。本工作采用熔融共混法在NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O(AASD)中掺入不同质量分数的MgSO₄·7H₂O(MSH)，成功制备了AASD-MSH共晶盐相变材料，其质量比为55∶45，相变温度为76.4 ℃，相变潜热为189.4 J/g。共晶盐的X射线衍射图谱和傅里叶红外光谱表明其为物理混合。引入质量分数1%成核剂CaCl₂·2H₂O及1%增稠剂可溶性淀粉降低共晶盐过冷度，过冷度从34.9 ℃降低至28.0 ℃。引入改性膨胀石墨(MEG)与多壁碳纳米管(MWCNTs)制备复合相变材料，改善共晶盐易泄漏及热导率低等问题，当MWCNTs质量分数为0.5%时，复合相变材料的热导率高达8.185 W/(m·K)，为共晶盐的19.98倍，其中共晶盐占比为75.6%，相变温度为74.3 ℃，相变焓值为133.5 J/g，过冷度进一步降低至22.2 ℃。热重实验表明与MEG-MWCNTs的复合增加了共晶盐的热稳定性，且经过100次冷热循环后复合相变材料的相变焓值基本不变，具有良好的循环稳定性。本工作制备得到的AASD-MSH/MEG-MWCNTs复合相变材料是一种相变温度适合、相变焓值较高、热导率较大的相变材料，且具有良好的热循环稳定性，应用潜力极大。

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熔融碳酸盐燃料电池阴极溶解与防护

李聪, 王桃, 任延杰, 周立波, 陈荐, 陈维

2023 (8): 2444-2456. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0112

摘要 ( 111 )

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熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是一种高效、可持续发电技术，其能源转换效率高、排放净化度高，是一种极具前途的发电技术。但是，由于其高工作温度和熔融碳酸盐电解质的特殊性质，MCFC的发展一直受到阻碍。其中，阴极溶解是一个严重的问题，会导致Ni短路等一系列问题，影响燃料电池的性能和寿命。本文综述了降低熔融碳酸盐燃料电池阴极溶解的策略，简述了近年来从替代材料、涂层改性和添加剂三个方面对阴极溶解的改善研究，探讨了替代NiO材料的方案不完全可行的问题，并提出了使用涂层技术来增强NiO阴极化学性能和降低阴极溶解度的可能性。涂层技术的优缺点也被详细列举，包括溶液浸渍电镀、溶胶-凝胶工艺和原子层沉积等一系列研究进展和性能。此外，本文还探讨了增加电解液碱度和向NiO中添加碱性氧化物来减少阴极溶解的方法，但也指出添加过多氧化物会降低电池性能的风险。综合分析表明，通过开发新型添加剂和涂层技术弥补合金作为阴极材料的性能缺陷，尝试制备新型复合材料等途径，有望获得高性能、低成本的阴极材料，从而实现MCFC的大规模商业化应用。

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锂离子电池单颗粒动力学表征方法综述

左安昊, 方儒卿, 李哲

2023 (8): 2457-2481. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0262

摘要 ( 230 )

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传统的电池材料性能测试方法将材料制成半电池或全电池，并根据电池性能(如能量密度、倍率性能、体积形变等)反推材料性能，如实际克容量、平衡电势、扩散系数、离子/电子电导、交换电流密度、体积膨胀率等。该方法存在以下两方面问题：第一，误差显著：电池含有多种材料，单体性能测试结果受到不同材料各自热/动力学过程的混合影响，不能反映单一材料性能；第二，浪费巨大：电池单体容量远超单个粉体颗粒容量，以单体为对象进行材料性能测试将浪费大量物料、电能、时间。综合比较不同尺度电池研究对象后，本工作认为直接对单个颗粒开展电化学测试既剥离了电极中非活性物质及孔隙的影响，又保留了材料缺陷、微观结构等特性，是目前表征材料动力学性能的理想方案。本工作围绕锂离子电池单颗粒动力学表征方法，梳理了单颗粒尺度测试技术，并在测试体系、测试对象、对象可选择性、嵌锂态控制、外部应力等方面综合比较了各种方法。基于此，从材料性能表征与材料参数获取两方面论述了基于接触式单颗粒微电极和连接式单颗粒微电极的动力学表征方法。最后，综述了单颗粒动力学表征方法与其他材料表征方法的联用案例以及发展方向。

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钠离子电池黑磷基负极材料研究进展

张鼎, 叶子贤, 刘镇铭, 易群, 史利娟, 郭慧娟, 黄毅, 王莉, 何向明

2023 (8): 2482-2490. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0178

摘要 ( 216 )

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钠离子电池被认为是一种极具潜力的二次电池体系，得到了国内外的广泛关注。硬碳是主要的钠离子电池的负极材料，但是，由于硬碳材料固有比容量较低，极大地限制了其全电池能量密度的提升。相比之下，磷资源丰富，且作为活性材料具备理论比容量高的优点，可用于发展磷基高比容量和长寿命的钠离子电池负极材料。本文通过对近期相关文献的探讨，综述了提高结构稳定性和电化学性能的一些有效策略。黑磷能够较为容易地通过机械的方法制备，并与石墨烯、多壁碳纳米管、科琴黑等碳材料复合，但是微观化学键的构建需要额外考虑，碳材料表面与黑磷化学键结合能够显著增强结构和储钠可逆性。此外，也可以引入导电高分子材料和部分典型的二维材料与黑磷复合，实现材料和电极微观结构优化，提供了提升电化学性能的重要方法，最后展望了黑磷作为钠离子电池负极材料的发展前景。

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聚合物改性锂金属电池界面策略研究综述

韩雨, 曹盛玲, 宁靖, 王康丽, 蒋凯, 周敏

2023 (8): 2491-2503. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0180

摘要 ( 212 )

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锂金属负极长期以来一直被认为是储能电池领域的“圣杯”，但负极表面枝晶的生长和锂金属的持续损耗使得锂金属电池无法稳定循环，甚至存在安全隐患，阻碍了其实际应用。为了解决枝晶生长和负极锂的损耗问题，研究人员提出了不同的界面改性方法。其中有机聚合物具有官能团丰富和结构多样的特点，在诱导锂离子均匀沉积和缓解体积效应方面具备优势，在锂金属负极改性中受到研究者青睐。本文分别从集流体改性、隔膜改性以及人工SEI膜构建的角度，介绍了聚合物应用于锂离子电池界面修饰的研究现状、发展趋势以及关键科学问题；分析了用于界面修饰聚合物的结构设计准则，探讨了聚合物的界面修饰方法，阐明了聚合物界面抑制枝晶生长、缓解体积效应的机制，最后对金属锂负极未来的研究方向和发展趋势进行了展望。

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宽温域、高电压、安全无EC电解液研究进展

刘志浩, 杜童, 李瑞瑞, 邓涛

2023 (8): 2504-2525. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0237

摘要 ( 340 )

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碳酸乙烯酯（EC）作为性能优良的有机溶剂，因其具备高的介电常数和对于石墨负极良好的兼容性，被广泛认为是可充电锂离子电池电解液的重要组成部分。然而，其自身熔点高、黏度大、电化学窗口窄等一系列问题，使得EC基电解液锂电池无法满足高温、高压、低温等多种苛刻条件下的应用需求。本文通过回顾近期相关文献，首先介绍了目前基于传统EC基电解液在极端应用条件下的失效机理，包括高压下EC与正极相变析出的氧气反应，电极与电解液界面劣化导致电解液持续消耗，高温下电解液分解产生易燃自由基，低温下锂沉积不均匀导致锂枝晶产生等一系列问题；其次，着重阐述了无EC电解液的最新研究动态，包括原位构筑稳定电极界面膜、调节溶剂化结构、调控反应路径、去除反应副产物等优化措施重新设计电解液成分，以达到通过设计改善电解液提高锂电池综合性能的目的；最后，概述了开发高性能无EC电解液当前存在的障碍和可能的发展机会。目的是为研发能够满足军工、航空等苛刻应用场景的锂离子电池提供一些方向指引和理论指导以推动新能源产业发展。

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高温相变胶囊梯级储热系统实验研究

胡茜芮, 张朝阳, 洪芳军

2023 (8): 2526-2535. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0122

摘要 ( 138 )

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中高温相变储热及再利用的方式是低碳经济与工业生产的有效手段。为了更高效地实现工业高温废热的利用，本工作设计搭建并测试了一套高温相变胶囊梯级储热系统，采用了两种不同相变温度的多元碳酸盐材料作为储热材料，对换热工质空气的不同进口温度和进口流量的储放热过程进行了实验研究，研究内容主要包括储热罐中的温度变化、储热量以及储放热过程完成时间。实验结果表明在进口温度为500 ℃的工况下，系统的储热量可以达到30000 kJ，系统进口流量的提高会缩短储热时间，对系统总储热量影响较小，并分析了不同工况下储热罐体内相变材料平均液相率对系统总储热量的影响。同时测试发现系统中设置的空气预热器使得系统的高温尾气与常温进气进行热量交换，可以有效实现高温尾气的余热利用。相变实验的研究结果为高温相变储热技术的实际应用提供了系统运行参数的影响规律和优化准则，具有很高的参考价值。

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基于增量容量曲线的锂离子电池微内短路故障诊断方法

郭煜, 王亦伟, 钟隽, 杜进桥, 田杰, 李艳, 蒋方明

2023 (8): 2536-2546. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0186

摘要 ( 212 )

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锂离子电池内短路极易引发热失控事故，有必要尽早检测出锂离子电池内短路故障。然而锂离子电池在内短路故障发展的初始阶段，短路电阻阻值较大，难以被识别诊断。本工作提出了基于锂离子电池IC曲线的电池微内短路故障诊断方法。当电池发生内短路故障时，部分充电电流会流过短路电阻而不是参与锂离子电池内部电化学反应，因此短路电池与正常电池的IC曲线会存在微小差异，可以通过计算不同短路程度锂离子电池与正常电池IC曲线之间的均方误差(MSE)进一步放大故障电池与正常电池之间的偏差，进而对锂离子电池微内短路故障进行诊断，由短路电池与正常电池在相同电压区间内充电电量的差异，开发了短路电阻的定量计算方法。模拟和实验结果表明，本工作提出的方法可对阻值达到710 Ω的电池微内短路故障进行准确检测，对于短路电阻的最大估算误差为6.1%，对老化电池进行的短路实验表明该算法对于老化电池也有较强的适用性。且该算法计算复杂度低，仅需要电池低倍率充电数据即可进行短路故障诊断，时效性较强，易于实际应用。此外本工作还研究了锂离子电池在发生微内短路故障时的温升效应，结果表明短路电阻为100 Ω时电池表面最大温升为4.1 ℃，短路电阻为710 Ω时最大温升为0.4 ℃，电池发生微内短路故障时温升特征不明显。

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基于正弦函数的液冷板上流体流向对锂离子电池散热性能的影响

唐程波, 锁要红, 何昭坤

2023 (8): 2547-2555. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0141

摘要 ( 67 )

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锂离子电池的散热性能与液冷板上流道的形状、液流流向、液流入口温度、液流入口流速和放电倍率等有关。本工作以电池最高温度、温差、温度标准差及压降为评价指标，设计了一种正弦函数液冷板流道，运用COMSOL有限元软件分析正弦流道频率与振幅对锂离子电池散热性能的影响并探讨不同放电倍率、不同入口温度和不同入口流速条件下流体流向对锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性的影响。结果表明：低频率和低振幅的正弦函数流道有利于电池的散热；改变流体流向有利于改善锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性；随着交错流次数的增加，锂离子电池的最高温度和温差均减小；高放电倍率下流体流向对锂离子电池散热性能的影响更大；液流入口温度为25 ℃时，改变流体流向锂离子电池的散热效果最佳。

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考虑电动汽车灵活储能的微电网双重激励优化调度

张响, 段俊东, 康博阳

2023 (8): 2556-2564. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0077

摘要 ( 67 )

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PDF(1786KB) ( 76 )

针对电力系统采用分时电价单一激励下电动汽车有序充电难以应对风力发电与日内负荷的供需变化，从而形成峰谷差的问题，提出一种基于电动汽车灵活储能的分时电价与动态碳配额双重激励调度策略。首先，根据蒙特卡洛对电动汽车充电负荷进行预测，并建立其电池损耗模型。在此基础上，根据日前预测中各个时段不同供电设备的出力以及碳排放与碳配额的占比，在考虑微电网发电成本以及用户期望荷电状态的前提下以微电网并网功率均方差最小和用户收益最大为优化目标。通过动态调整分时电价和阶梯碳价，并运用优化的灰狼算法对模型进行求解，制定出合理的充放电计划以充分发挥电动汽车作为柔性负荷的特点，从而实现平抑微电网负荷曲线波动的目的。最后，将所提策略与无激励和单一激励策略进行仿真分析对比，结果显示负荷峰谷差分别降低了30.1%和18.6%，验证了其有效性和优越性。同时车主用户收益的提高和碳排放量的降低，验证了电动汽车的环保特性需要与清洁能源协同发展。

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基于改进海洋捕食者算法的配电网储能多目标优化配置

肖小龙, 史明明, 周琦, 魏于凯, 赵波

2023 (8): 2565-2574. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0267

摘要 ( 72 )

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PDF(1635KB) ( 56 )

分布式电源(distributed generation，DG)的大量接入是配电网重要发展趋势之一，而储能系统的合理配置是提升配电网接纳DG能力的重要手段。本工作考虑高比例DG接入配电网造成电能质量下降问题，建立使配电网电压偏移最小、线损率最低、储能规划成本最优三个指标的储能多目标优化配置模型；针对目前侧重改进传统优化算法求解储能配置多目标优化问题性能不足方面，采用一种基于快速非支配排序和边界交叉构造权重设置参考点的方法对海洋捕食者算法改进，进而求解配电网储能多目标优化模型，得出储能在配电网中的最佳并网位置、额定容量和储能电池调度周期内的充放电功率。通过在IEEE-33节点系统上进行算例分析，结果显示：采用改进的多目标海洋捕食者算法能够有效地求解出在最优储能规划成本下使配电网经济、稳定运行的储能配置方案，及储能电池运行周期内最佳的充放电策略；并且通过对比多种智能优化算法，证明了所提改进海洋捕食者算法在求解储能多目标优化配置问题上具有良好的收敛性能、分布性能。

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基于改进的在线迁移学习算法的电池高压故障预警

董臣臣, 孙大帅, 王景龙

2023 (8): 2575-2584. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0119

摘要 ( 107 )

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PDF(3626KB) ( 67 )

锂电池作为一种电化学设备，在发生故障前的特征较为复杂，难以分析，并且生产环境中故障样本数量较少，正负样本比例严重不平衡。针对以上问题，本工作提出基于改进的在线迁移学习算法的电池高压故障预警。首先，引入下采样技术，解决样本不均衡问题，从而降低计算资源的使用。在电池高压故障预警场景下，设计分段下采样策略，使得算法模型在故障发生前能学习到更多细微的特征。其次，提出基于分批增量学习的在线迁移学习方法(homogeneous online transfer learning under incremental training，HomOTL-UIT)，源域中训练的离线分类器需要在合适的时间进行更新，以此来适应目标域中不断变化的数据分布，解决数据分布偏移和在线迁移学习退化为在线学习的问题。分批处理降低多次训练带来的计算资源的开销，通过增量学习，不断从目标域中学习，从而不断提高离线分类器的准确度。然后，设计一种滑动窗口下的F₁-score评分方法，解决模型权重缓慢失衡问题，从而提高模型的准确性。最后，通过储能集装箱的运行数据验证所提出方法的有效性和准确性，在正负样本严重不均衡时，F₁-score达到0.88。

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基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究

李明, 谢金元, 邱沐楚, 邵亮, 霍强

2023 (8): 2585-2593. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0268

摘要 ( 128 )

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PDF(6740KB) ( 97 )

在储能电池舱能量密度逐渐升高的背景下，热管理耗能占总辅助用电的比例逐渐增加。由于电芯间不均匀送风，温差会进一步拉大。为实现储能系统低能耗、低温差的目标，本工作提出了一种基于能量管理系统(EMS)计划曲线的热管理控制策略，并采用电芯温度对储能电池舱内空调进行集中控制。通过对容量为5.017 MWh的储能电池舱进行实验，研究该策略对电芯温差及空调耗电量的影响。研究结果表明，电芯本征不一致、模组风扇状态、空调状态对电芯温差均有影响，在现有集成情况下，空调启动对温差有负面作用。在相同的充放电功率下，相比于无控制策略的实验条件，电池堆1和电池堆2的电芯温差分别降低了0.9 ℃和1.4 ℃。此策略下，由于空调待机时无内循环风机功耗，空调日总耗能降低了62%。

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锂离子电池储能集装箱爆炸危害数值模拟

陈满, 程志翔, 赵春朋, 彭鹏, 雷旗开, 金凯强, 王青松

2023 (8): 2594-2605. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0265

摘要 ( 195 )

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PDF(6324KB) ( 274 )

随着电化学储能的规模化发展，以锂离子电池为能量载体的电化学储能电站火灾燃爆事故时有发生，成为制约其安全健康发展的主要瓶颈。储能集装箱本身的安全措施及摆放间距对于燃爆的发展及扩散有着重要的影响。本工作通过改变点火位置和泄压板强度来探究不同的冲击波压力和火焰传播速度变化对储能集装箱安全的影响，发现当着火点位于近进风百叶窗一侧时，冲击波压力升高，火焰传播速度增大，分别可达41.28 kPa和557.0 m/s。泄压板对储能集装箱安全设计至关重要，且仅在进风百叶窗处设置泄压板且将开启压力设置为30 kPa时，计算区域内已发展为爆轰，对周边安全造成较为严重的影响。此外，研究结果表明，单个储能舱发生燃爆后，在短边间距达到10 m时将会对周边造成的影响最小。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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不同荷电状态钛酸锂电池高温日历老化研究

汪红辉, 刘一凡, 储德韧

2023 (8): 2606-2614. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0121

摘要 ( 224 )

HTML ( 23 )

PDF(4102KB) ( 173 )

钛酸锂电池因循环稳定性和安全性好等优点在能源存储领域具有潜在应用前景，然而目前关于其在高温条件下的日历老化研究报道较少。荷电状态和环境温度通常被认为是影响钛酸锂电池在日历老化过程中性能演化的关键参量。本工作以某商用圆柱形钛酸锂电池为研究对象，通过高温加速老化模拟实验，探究在不同荷电状态下(0%、50%、100% SOC)钛酸锂电池电化学性能演化规律及机理。实验结果表明，钛酸锂电池在高温日历老化过程中的健康状态与荷电状态存在强相关性，以不同荷电状态储存的电池，其容量呈现出随时间不同的变化趋势，其内在机理也有所不同。本工作主要揭示了荷电状态对高温储存下钛酸锂电池性能的影响规律和作用机理，对于钛酸锂电池未来在大规模储能应用中的运行维护具有一定科学指导意义。

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基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析

杨佳兴, 张恒运, 徐屹东

2023 (8): 2615-2625. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0082

摘要 ( 148 )

HTML ( 46 )

PDF(4212KB) ( 125 )

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型，首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试，验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下，无论倍率大小，负极产热总是小于正极产热，虽然负极的极化热高于正极，但其可逆吸热较大，导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加，正极产热所占比例减小，负极所占比例先增加后减小，而集流体产热所占比例持续增加。然而，低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性，首先，低温导致低倍率负极产热率比例大大增加，负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少，正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势，高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全，在低倍率0.5～1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全，这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散，造成电阻增加与电压快速降低，同时大量产热导致自身温升，从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。

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民用建筑用毛细管相变蓄能罐性能的实验研究

赵民, 李杨, 蔡婕, 康维斌, 刘磊

2023 (8): 2626-2637. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0142

摘要 ( 76 )

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PDF(5342KB) ( 59 )

随着民用建筑领域谷电利用和太阳能热利用的广泛推进，相变蓄能罐的开发和应用变得尤为关键。本工作经相变蓄能装置内部传热的理论分析，设计了以高效毛细管换热装置为核心部件的民用建筑相变蓄能罐，搭建了相变蓄能罐性能测试实验系统，记录了工业相变材料的实时温度响应数据，探究了冷热水进口温度、流量及流向对相变蓄能罐热性能的影响。研究结果表明：同进温、同流量下流动介质逆重力流动的换热量是顺重力流动的1.1～1.2倍。流量变化在蓄热阶段占主导，温度变化对放热阶段影响较大，而小流量工况下，出水温度的持续稳定性更好。对于“蓄热快且容量大、放热慢且水温高”的功能需求，蓄热阶段工质入口温度70～75 ℃适宜，毛细管内工质流速推荐0.025～0.035 m/s。放热阶段毛细管内工质流速建议0.020 m/s以内。同时在实际使用中，30 ℃、85 L/h出水工况下单台蓄热2次即可满足至少20 m²房间1天的间歇供暖需求，和至少3人次的淋浴需要。本工作为家用蓄能罐的工程应用设计、评价提供参考依据。

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基于ECM的电芯电-热耦合建模与验证

狄云, 周正柱, 党会鸿, 葛志浩

2023 (8): 2638-2648. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0080

摘要 ( 79 )

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PDF(5834KB) ( 102 )

电芯内阻不仅影响电池的电性能，而且影响电池工作过程中的温度。本工作通过恒流充放电搁置测试，建立二阶等效电路模型(ECM)，辨识电芯在不同电流、温度和SOC下的电容、电阻参数，计算电芯电性能，同时给出Bernardi产热模型中的不可逆热，不可逆热结合可逆热计算电芯产热，通过STAR-CCM+将电-热模型耦合，模拟电芯在不同工况下的电响应与温度响应；由于HPPC存在脉冲时间短、内阻体现不完整等缺点，故本工作采取恒流充放电搁置测试获得RC参数，进行等效电路仿真，研究结果表明：将恒流充放电搁置测试得到的RC参数导入电-热耦合模型中，仿真结果对比实验偏差很小。

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考虑多场景需求的储能和直流系统频率响应特性协同优化方法

丁可, 耿光超, 江全元

2023 (8): 2649-2658. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0193

摘要 ( 66 )

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PDF(4225KB) ( 59 )

新能源具有显著的波动性和不确定性，且提供的转动惯量有限，大规模新能源并网对电力系统频率调节带来了严峻挑战。同时，在异步联网方式下，随着直流规模的不断增加，进一步减小了系统的转动惯量，需要通过储能和直流频率限制控制器(FLC)改善送端电网各扰动场景下的频率控制能力。首先，基于某送端电网的仿真数据构建统一频率模型，分析电网在严重故障和常规扰动场景下的调频需求。在此基础上，针对各类场景下的频率问题，构建了储能控制器和直流FLC调频参数的联合优化模型，通过动态调整两者的调频参数能够兼顾不同场景下的系统调频能力、对受端电网的频率影响程度以及调频经济性。然后，根据所建模型的特点采用遗传算法分层递进求解优化问题，实现对储能控制器和直流FLC调频参数的综合最优设计。最后，在MATLAB仿真平台模拟该送端电网的常见扰动进行效果验证。仿真结果表明所提方法不仅能够兼顾严重故障场景下的送受端电网频率控制，还可以改善常规扰动场景下的送端电网频率特性以及调频经济性。

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基于用户偏好的电动汽车储能V2G策略优化

洪睿洁, 顾丹珍, 莫阮清, 蔡思楠, 张超林

2023 (8): 2659-2667. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0173

摘要 ( 161 )

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近年来我国电动汽车行业飞速发展，其中电动汽车入网技术(vehicle-to-grid，V2G)在中国新电力系统和能源互联网中是成本较低、规模较大、安全性能较好的一项新兴技术，成为未来发展的趋势。由于当前V2G技术不够成熟，试点项目较少，用户参与V2G的放电行为特征数据和V2G参与电力市场的案例分析较少。为了更加精准模拟电动汽车放电行为和评估V2G的经济效益和社会效益，以电动汽车用户的空闲时间和对放电截止容量的接受度为分类标准对电动汽车用户群进一步划分，建立了不同偏好的电动汽车用户V2G充放电负荷曲线，以聚合商收益为目标建立了优化函数模型。通过算例分析可知，不同的调度计划对不同类型电动汽车的需求不尽相同；对不同用户群进行分类调度的收益明显高于对单一群体调度的收益，并且不同车型组合优化调度比单一车型优化调度效果更优。对优化前后参与V2G的电动汽车的碳排放进行评估，评估结果显示优化后减碳率达到20%。由此可得优化后的策略在经济效益和社会效益上相比于原始模型都有所提升。

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高压气态储氢技术形势分析

周树辉, 王秀林, 段品佳, 张瑜, 隋依言, 卢璐

2023 (8): 2668-2679. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0139

摘要 ( 147 )

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PDF(5647KB) ( 114 )

在加速能源行业转型的背景下，氢能凭借零污染、能量高、资源丰富、用途广泛等优点，氢能产业受到了国家的高度重视。氢气的稳定性极差，泄漏后易发生燃烧和爆炸，使得安全性低、储运难度大、成本高，从而对氢气的储运技术提出了更高的挑战。安全、经济、高效的储运氢已成为当前制约氢能规模应用的主要瓶颈之一。在诸多储运技术中，高压气态储氢技术为目前发展最为成熟、应用最广泛的技术。本文通过对2003年以来美国、中国、日本、韩国等126个国家/地区进行数据检索，抓取高压气态储氢技术相关领域共2276条专利进行分析，分析专利申请趋势、技术聚焦点、垄断性、持有者情况和市场布局等，研究技术创新热度、申请趋势、地域布局情况和企业现状等情况，为是否进入该技术领域、技术研究方向、专利布局点等提供支持。通过分析，高压气态储氢技术领域垄断性整体处于较低水平，热点技术主要集中在高压气态储氢容器、复合材料、铝合金等方向，未来还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定等方向发展。技术研发整体呈上升趋势，新进入企业数量逐年增多，但高水平技术专利较少，加快技术申请进程，应尽快建立技术壁垒。中国在高压气态储氢领域的研发投入较大，未来国内市场竞争激烈。

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电化学储能电池技术主题识别、演化及风险分析

张力菠, 王格格

2023 (8): 2680-2692. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0188

摘要 ( 129 )

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PDF(4895KB) ( 112 )

电化学储能电池技术作为发展潜力极大的一类储能技术，其研发态势受到全球各国关注。然而由于电化学储能电池技术本身的复杂性和广泛性，其关键技术主题、未来研发趋势及技术发展的风险水平尚未得到全面综合的科学分析。基于专利数据，宏观分析专利数据申请特征，使用LDA主题模型识别技术主题并基于后离散方法分析主题演化趋势，通过贝叶斯网络模型对热门研发领域技术发展进行风险分析。结果显示：电化学储能电池技术领域共存在15个技术主题，主题演化趋势分为上升型、平稳型和衰退型。从专利数量、产业链和电池类型3个角度进行分析，发现电化学储能电池技术全球研发呈持续增长态势，产业链上游原材料相关技术是研发的关键领域，但可能存在技术饱和现象或遭遇瓶颈，中游加工领域相关技术正逐渐成为研发热门方向。在产业链视角下对中游加工领域技术发展的风险评估为中等水平，关键风险因子有关键技术垄断、上游原材料价格上涨、行业标准滞后、产业链协作不充分。本研究将为电化学储能电池技术的发展规划及研发决策提供有益的参考。

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人工蜂群算法在电网储能系统管理中的运用

任卓

2023 (8): 2693-2694.

摘要 ( 26 )

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PDF(368KB) ( 28 )

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相变储能装饰材料在室内设计中的应用

叶满波, 赖超文, 龙珍文

2023 (8): 2695-2696.

摘要 ( 30 )

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新型相变储能砂浆的制备和建筑力学性能研究

刘钊

2023 (8): 2697-2698.

摘要 ( 35 )

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绿色发展视域下电化学储能技术在体育产业中的应用探索

蔡冠蓝

2023 (8): 2699-2700.

摘要 ( 27 )

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浅谈高校新能源技术及应用专业类课程中的思政教育

王一琛

2023 (8): 2701-2702.

摘要 ( 27 )

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高端人才资源对储能技术创新的推动力

陈树秋

2023 (8): 2703-2704.

摘要 ( 26 )

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农机电动化是新的增长点

王诚鹏, 王文蔚

2023 (8): 2705-2706.

摘要 ( 28 )

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