储能科学与技术

本期中英文目录

2023 (11): 0.

摘要 ( 75 )

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从材料结构特征到功能特征——

赵悠曼, 黄旸, 熊立, 林海军

2023 (11): 3287-3298. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0488

摘要 ( 169 )

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PDF(3658KB) ( 185 )

近年来，有理论研究认为硫系锂离子导体材料的硫阴离子框架都具有类bcc (body-centered-cubic)?的体心立方堆叠结构。因此，在探索新的硫系锂离子导体时，应从材料库中优选那些具有类bcc硫阴离子框架结构的材料。然而对于设计新型锂离子导体而言，这种设计准则过于简略。本团队基于前人工作基础，对硫系化合物中锂离子的传输和扩散机制进行了研究，并讨论了影响锂离子局域跳跃的结构环境和影响锂离子宏观扩散的化学环境。研究发现，在硫系化合物中，不与过渡金属配位的0-TM通道对于锂离子在晶位之间的跳跃具有决定性的作用；而要形成宏观扩散网络，晶体结构中必须含有足够多的0-TM通道。基于这一认识，本团队探索并设计了几种新的硫系锂离子导体，验证了硫系化合物结构特征与其功能特征之间的关联性。这一工作深化了bcc结构设计准则，为发展新型锂离子导体提供了更为明确的理论方向。

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二元导电剂对锂浆料电池性能的影响

高桂红, 刘福园, 李珅珅, 巫湘坤, 刘艳侠

2023 (11): 3299-3306. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0505

摘要 ( 200 )

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电子传导是以悬浮液为电极的锂浆料电池性能受限的关键因素之一，本工作以碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Gen)新型导电剂与科琴黑(KB)、卡博特炭黑(Cabot)传统导电剂不同比例混配成二元导电剂，通过电子扫描显微镜观察、浆料的沉降率、电导率、电化学阻抗谱、电化学性能测试等方法研究了二元复合导电剂对锂浆料电池性能的影响。研究结果表明：CNTs缠绕在活性颗粒的表面形成较多的导电位点，炭黑又围绕在活性颗粒及CNTs周围形成覆盖面更广导电路径，炭黑还附着在Gen表面，提高其垂直方向的导电能力，但Gen具有团聚、分散不均匀的现象；含Gen的浆料起始沉降速度低，且吸液保液能力好，沉降率长期稳定在3.10%；复合导电剂1%Cabot+0.3%CNTs的浆料电导率高达124.75 mS/cm，半电池的电化学转移阻抗仅有42 Ω，其放电比容量为171.06 mAh/g，首次充放电效率高达86.01%，循环230次后容量保持率仍有92.78%。

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纳米纤维膜基弹性固态电解质的设计及性能研究

江训昌, 廖敏会, 周洋, 杨大祥, 王强

2023 (11): 3307-3317. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0403

摘要 ( 190 )

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以双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)为锂盐，丙烯酸丁酯(BA)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)等为复合原料组分，采用热引发原位聚合的方法制备以聚偏氟二乙烯(PVDF)纳米纤维膜为基膜的弹性聚合物固态电解质(SPE)，PBA弹性体的引入可以增强复合膜的韧性并为锂枝晶穿刺提供缓冲空间，FEC阻燃添加剂的加入可以有效增强复合膜热稳定性和界面稳定性，通过其协同作用可以有效改善界面接触差、离子电导率低等问题；同时，PVDF中的—C—F官能团还有利于锂离子的吸附和锂盐的解离。PVDF纳米纤维膜的三维互通网状结构可以提供较大的比表面积，进而贡献更多的锂离子吸附位点，提供足够多的有序互通锂离子传递通道，并且PVDF纳米纤维膜的引入可以较大幅度提高复合固态电解质膜强度，有利于抑制锂枝晶的生长。结果表明，25 ℃条件下，含有PVDF纳米纤维的弹性复合固态电解质膜的离子电导率为3.9×10^-4 S/cm，拉伸强度为13.8 MPa，耐热分解温度为200 ℃，离子迁移数为0.75，所制备的磷酸铁锂(LFP)|SPE|Li固态电池0.1 C放电比容量为167 mAh/g。其中，LFP/SPE/Li电池0.5 C循环120次的放电容量为122.3 mAh/g，容量保持率为95.9%。

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O-NiCo₂S₄/CNT复合材料对多硫化锂催化转化性能研究

沈李园, 张桂鑫, 马兆玲

2023 (11): 3318-3329. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0420

摘要 ( 171 )

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NiCo₂S₄由于具有丰富的催化位点和金属特性，能够催化锂硫电池中的多硫化锂的氧化还原转化。然而，其催化活性和化学吸附性不足以抑制多硫化锂在长循环中的穿梭效应。通过水热法结合空气煅烧制备了氧掺杂NiCo₂S₄/CNT复合材料(O-NiCo₂S₄/CNT)，系统的实验证明氧掺杂后体相NiCo₂S₄的结晶度增强，表面NiCo₂S₄趋于无定形态，O-NiCo₂S₄/CNT的电导率升高。其次，O掺杂可以有效调节NiCo₂S₄中金属阳离子的电子结构，增强催化活性位点的化学吸附和催化转化能力，进而提升多硫化锂的转化动力学，抑制多硫化锂的穿梭效应。基于O-NiCo₂S₄/CNT功能化隔膜的锂硫电池在0.2 C下初始放电容量高达1362.7 mAh/g，循环150圈后的容量为923 mAh/g，每圈的容量衰减率仅为0.21%。在3 C下，容量可达到701.8 mAh/g。本工作表明，氧原子掺杂金属硫化物是开发高效催化剂的一种有效策略。

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基于三维导电膜的锌镍电池及其在智能门锁上的应用

徐松, 王明煜, 李亮生, 赵梁栋, 孙子惠, 张聪慧, 王子涵

2023 (11): 3330-3339. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0412

摘要 ( 110 )

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锌镍电池是非常有发展前景的绿色储能技术，然而，由于锌负极形变、枝晶生长、钝化、严重的副反应等问题，影响了锌镍电池的大规模应用。本工作采用氧化还原石墨烯(rGO)、科琴黑(KB)和碳导电膜(CCF)，通过喷涂技术制备了具有三维导电网络的CCF@KB-rGO膜，采用该三维导电膜的AA型锌镍电池展现出良好的电化学性能。超支化KB和层状rGO形成三维的导电网络，提高了电子和离子的传导能力，使锌镍电池具有良好的快速充电和低温放电性能，充电80%仅需要43分钟，-20 ℃条件下0.5 C可以放出60%以上额定容量；层状rGO有助于锌负极的均匀沉积，提高了电池的循环稳定性，经过300次循环，锌负极没有发现明显的枝晶；CCF@KB-rGO中高比表面积的KB和rGO可以吸附部分游离的电解液，抑制了锌负极溶解，同时降低了电池的自放电。采用CCF@KB-rGO的AA锌镍电池电化学性能突出，安全性好，各方面的表现均优于一次性干电池，更好地满足了智能门锁对电池性能不断提高的要求。本工作基于三维导电膜的设计有效提高了锌镍电池性能，为锌镍电池的研究提供了新的思路。

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钠离子电池普鲁士蓝材料结构构建及优化的研究进展

陈娜, 李安琪, 郭子祥, 张钰哲, 秦学

2023 (11): 3340-3351. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0467

摘要 ( 670 )

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由于钠资源丰富、成本低廉和分布广泛等优点，在锂离子电池的众多备选电池当中，钠离子电池重新成为研究热点。在现今主流的钠离子电池正极材料当中，相较于放电比容量不高的聚阴离子材料、充放电过程中频繁相变的层状氧化物材料以及易溶于电解液且自身导电性较差的有机正极材料来讲，普鲁士蓝及其类似物(PB和PBAs)因具有三维刚性开放骨架、理论比容量高、结构可调以及易于普及的合成方法等展现出非凡的潜力。然而在合成过程中不可避免地会在晶体中产生Fe(CN)₆空位和配位水，限制了其在储能领域的进一步应用。针对上述问题，现今采用的主要手段为对体相进行优化提高晶体的质量，或者侧重于对晶体结构表面进行修饰增强界面稳定性等。本文从结构与性能的关系出发，首先讨论了PB及PBAs的基础结构及其构建方法。在此基础上，重点从调节制备方法、离子掺杂和特殊结构设计等三方面分析了PB及PBAs结构优化的策略，综述了PB和PBAs材料的最新改性研究进展。最后对其未来的发展前景进行了展望，以期为开发更高性能的PB及PBAs材料提供理论借鉴。

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锂离子电池冷却固定一体化冷板散热研究

孙广强, 李志强, 王方, 邓虹, 巴义春

2023 (11): 3352-3360. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0492

摘要 ( 188 )

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基于圆柱状锂离子电池产热特点，设计了一种冷却固定一体化冷板，采用数值模拟方法探究了冷却液入口流量、环境温度和冷却固定孔深度等参数对一体化冷板冷却性能的影响，并与蜂窝状冷板进行了性能比较。结果表明：与蜂窝状冷板相比，冷却固定一体化冷板可以进一步降低锂离子电池组最高温度，并且采用一体化冷板冷却的锂离子电池组最低温度高于同一工况下蜂窝状冷板冷却的电池组最低温度，电池组组内最大温差平均可下降13.3%；一体化冷板的质量较蜂窝状冷板下降9.7%；一体化冷板入口流量从30 mL/min增大到60 mL/min，冷板进出口压损从352 Pa增大到832 Pa，锂离子电池组最高温度、最低温度均明显下降，组内最大温差降低了0.458 K；一体化冷板的冷却固定孔孔深从7 mm增大到13 mm的过程中，锂离子电池组最高温度逐渐下降，最低温度则逐渐上升，电池组组内最大温差下降了20.8%，冷却固定结构重量增加了46.2%；在296.15 K、298.15 K、300.15 K及302.15 K的环境温度下，一个充放电周期结束后，电池组最高、最低温度十分接近，环境温度302.15 K时，电池组最大温差明显高于其他环境温度下电池组最大温差。

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基于科赫曲线的PEMFC新型流道设计

刘轲轲, 刘永峰, 裴普成, 姚圣卓, 张璐

2023 (11): 3361-3368. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0477

摘要 ( 235 )

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质子交换膜燃料电池流道结构对反应气体流动、热交换、电化学反应具有重要影响。目前，常见流道集中在蛇形、叉指形、点状形、波浪形、平行直流道以及相关改进流道，且在气体均匀性、水管理性能和输出性能上仍有待改进。受数学几何领域的科赫曲线启发，本团队提出了一种新型流道结构，即以圆心为中心向四周辐射，并在6条主干流道的基础上依次添加不同级别的分支流道，最终形成30个流道出口。建立三维稳态单向等温的燃料电池模型，在工作温度为60 ℃，进气相对湿度为100%工况下，搭建燃料电池测试平台进行实验，并借助ANSYS Fluent 2020进行仿真，模型仿真结果与实验结果基本吻合，验证了模型的有效性。将新型流道与传统蛇形流道仿真结果进行比较，分析膜电极电流密度、流道氧气质量分布、流道与气体扩散层交界面水质量分布、膜水含量、流道压力等，结果表明，相比蛇形流道，新型流道的进排气口压降较小、流速较慢，但具有反应气体分布更均匀、水管理效果更好和膜电流密度、输出功率更高等优势，且峰值电流密度增加9.60%、峰值功率密度增加12.70%，有望为燃料电池流道结构创新提供新的思路。

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特种储能方舱电池系统低温快速预热研究

谭伟, 马克, 徐伟晶, 米林, 陈楷翼

2023 (11): 3369-3378. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0471

摘要 ( 193 )

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针对高原高寒环境无外界供能条件下，特种储能方舱电池系统冷启动困难，启动时间长，供电性能衰减严重导致的应急支援保障能力下降问题，进行特种储能方舱低温快速预热自启动方法研究。通过分析储能方舱电池系统容量需求、温度边界条件与低温启动时间需求，计算储能电池组和低温启动电池组的容量配比；建立电池组三维产热模型，采用数值模拟方法，确定热管最佳布置方式。通过正交试验法探究预热结构中各因素对电池系统升温性能的影响，并进行参数选优。设计了采用闭环液体预热耦合加热管的预热系统并建立仿真分析模型，对热管对流换热下的电池系统升温性能进行了仿真，结果表明：在-20 ℃的环境温度下，储能方舱电池系统可在10 min内快速预热至5 ℃以上的正常工作温度，满足应急支援保障需求。

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地下车库场景下的全尺寸电动汽车火灾特征及抑制性能试验

王杰, 赵晨曦, 李长征, 王学辉, 陈钦佩, 米文忠, 徐国, 汪箭

2023 (11): 3379-3386. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0520

摘要 ( 198 )

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本工作对地下车库场景下的电动汽车热失控火灾特性及水喷淋抑制效果进行了研究，通过对车内不同位置以及车外顶棚温度在水喷淋前后的变化，得出了电动汽车热失控发展过程的不同特点。搭建了全尺寸的地下车库电动汽车火灾试验平台，通过电加热的方式触发车内电池包中的锂离子电池热失控，测试了电动汽车热失控发展中电池包、车身、顶棚处的温度变化。结果表明电池包内的电池热失控过程是由近及远的，主要传热方式是热传导，其最高温度超过600 ℃。车舱内的温度变化相较于电池包的变化来说，存在一定的滞后性，会导致车内人员安全错觉。当现场已经充满了大量黑烟时，顶棚处的最高温度仅为46.1 ℃，相较于温度传感器，烟雾传感器可能是地下车库一个更好的选择。水喷淋灭火试验表明一般的水喷淋灭火方式灭火效果有限，主要由于水喷淋无法直接作用在电池，降温效果有限，只能起到一定的减缓作用，并不能使其降至安全温度。本工作研究结果有助于深入认识受限空间内的电动汽车热危险性，为地下车库的消防安全设计提供基础数据支持与参考。

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并列式预制舱换电站爆炸与泄爆模拟研究

彭冠林, 凌晓东, 林俣洁, 姜辉

2023 (11): 3387-3394. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0515

摘要 ( 108 )

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随着能源结构的变化，集油、气、氢、电为一体的综合能源站成为未来能源加注站的发展趋势。预制舱式换电站作为综合能源站的电能模块，存在因电池热失控而引发燃爆事故的风险，进而引发二次事故。本文基于已投入运行的并列式预制舱换电站建立了1∶1三维仿真模型，将换电站内电池热失控所释放的气体作为爆炸源，通过CFD模拟研究了并列式预制舱换电站发生燃爆事故时的冲击波传播过程，确定了现有结构下的事故最大影响范围，探究了泄爆装置设置方式对泄爆效果的影响。研究结果表明：①通过模拟可以得到换电站舱内发生燃爆事故后产生的最大爆炸超压及最大影响范围，对并列式换电站邻侧换电舱影响较小。②通过设置泄爆装置可降低最大爆炸压力，大幅降低换电舱爆炸冲击波超压，有效减弱燃爆事故后果。③泄爆效果与泄爆装置开启压力近似线性相关，开启压力越小则泄爆效果越明显；泄爆效果受泄爆装置与点火源相对距离影响，泄爆装置距离点火源位置越近时泄爆效果越好；泄爆效果受泄爆装置设置位置影响，泄爆率由高到低为后部、侧部与顶部。为保证综合能源站安全运行，防止多米诺事故发生提供支撑。

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考虑电动汽车聚合调控的配电网储能优化配置

罗世刚, 滕婕, 谭庄熙

2023 (11): 3395-3405. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0310

摘要 ( 128 )

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灵活负荷如电动汽车的调控是增强电网运行灵活性的新兴手段，然而在储能规划阶段常被忽视。对此，本文提出考虑电动汽车聚合调控的配电网储能优化配置方法。首先，计及抵达时间、离开时间和期望电量等特征参数刻画单个电动汽车的运行域，进而基于电动汽车闵可夫斯基和得到充电站的二阶近似实用模型，用于刻画电动汽车聚合调控特性；然后，建立采用支路虚拟电阻表征充放电损耗的储能运行模型；进一步，提出基于K-Medoids场景生成算法与Benders分解算法的储能规划-运行两阶段随机优化方法。最后，算例以改进IEEE-33节点配电系统为例进行分析，结果表明电动汽车可控比例升高，储能配置的总容量会随之增大，碳排放量会显著减少，光伏利用率会明显提高。

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基于启发式算法的含BESS配电网线损最小化策略研究

邢子涯, 刘玮, 耿俊成, 周兴华, 夏越

2023 (11): 3406-3413. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0511

摘要 ( 95 )

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分布式能源大规模并网加剧了电力系统的不确定性、波动性和随机性。本文提出了一种基于模拟退火(simulated annealing，SA)的启发式算法，以及结合了建筑能源模拟Energy Plus软件/模拟配网的Matpower软件的协同仿真框架，实现了配电网负载均衡和损耗最小化问题的公式化，在配网层面研究了应对线路故障(如断线)的负荷均衡和功率损耗最小化策略。基于需求响应(demand response，DR)信号实现了分布式用户的电池储能系统(battery energy storage systems，BESS)的合理调度。本工作采用一个9节点网络进行仿真验证，并赋予模型不同权重系数。研究结果表明，所提算法对分布式能源接入配电网的负载均衡和线损最小化具有准确性和可拓展性，研究结果对分布式能源接入配电网有重要的现实意义。

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基于完备集合经验模态分解的含抽蓄微电网混合储能容量优化配置

魏震波, 姚怡欣, 张雯雯, 罗紫航, 李银江, 任语杰

2023 (11): 3414-3424. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0432

摘要 ( 121 )

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为减缓微电网并网联络线功率波动，拓展混合储能参与系统调节的能力边界，提出一种含抽蓄的微电网混合储能系统结构及基于完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition， CEEMDAN)的容量优化配置方法。首先，考虑抽水蓄能、蓄电池的能量型储能特性与超级电容器的功率型储能特性，在微电网中搭建混合储能系统结构模型；其次，根据负荷出力确定联络线协议功率及混合储能总功率，并采用完备集合经验模态分解法对混储系统总功率进行分解；最后，建立以储能年综合成本最小为优化目标的混合储能系统容量优化配置模型，并给出相应求解方法。算例结果表明：较不含抽蓄的混储系统，该结构模型的调控能力得到提升，在有效平抑联络线功率波动的同时提高系统经济性，且蓄电池设备动作频次有所减少，提升了其使用寿命，验证了所提混合储能结构的合理性及优化模型的有效性。

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绝热-近等温压缩空气耦合储能过程热压匹配规律

潘文, 令兰宁, 李瑞雄, 王海洋, 陶瑞, 金鹏, 王焕然

2023 (11): 3425-3434. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0374

摘要 ( 118 )

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利用液体活塞机构强化储能过程压缩空气与环境的热量传递，可以有效降低压缩热耗散，提升储能过程电能向空气压力势能的转换效率。考虑到绝热压缩与近等温压缩空气储能的优势，本工作将近等温压缩与绝热压缩方式进行合理融合提出了复合压缩空气储能，通过建立不同压缩空气方式的热力计算模型，深入分析了绝热压缩与近等温压缩耦合作用下的高效储能特征，澄清了近等温压缩对储能系统高效运行的驱动机制。研究结果表明：复合压缩空气储能过程的?效率高于传统绝热压缩空气储能；同时，近等温压缩空气对复合压缩空气储能性能的影响较为显著，即变压排气液体活塞近等温压缩空气储能的?效率比恒压排气高3%，且变排气压工况下能够更好适应储气室内压力的变化，弱化储气室充气过程的温度效应；近等温压缩空气过程增加喷淋能够使?效率提升3.3%，且不同时段喷淋对液体活塞近等温压缩空气效能的影响具有较大差异。

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离心式压缩机性能预测方法综述

王凯轩, 左志涛, 梁奇, 郭文宾, 陈海生

2023 (11): 3435-3444. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0361

摘要 ( 346 )

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压缩空气储能被认为是最具发展前景的大规模物理储能技术之一，压缩机作为其关键部件对系统整体性能具有重要影响。离心式压缩机具备大流量、高压比、宽工况的运行特性，在压缩空气储能领域相对其他类型压缩机更具优势。受固定容积储气装置充气特性影响，压缩机常运行于非设计工况，对压缩机性能进行准确预测可提高系统效率，减少研发投入。20世纪50年代起，国内外学者对离心式压缩机性能预测开展了大量研究，建立了多种性能预测方法。本文将性能预测方法分为机理建模类、相似换算类与数据驱动类，在总结各方法基本原理及研究进展的基础上，定性分析了各方法在建模周期、预测精度、可移植性及适用场景等方面的差异，并对性能预测未来发展趋势进行了展望，旨在为离心式压缩机性能预测方法的研究与应用提供指导。

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动态可重构电池储能技术：原理与应用

慈松, 张从佳, 刘宝昌, 周杨林

2023 (11): 3445-3455. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0539

摘要 ( 478 )

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如何从根本上消除电池系统的“短板效应”是储能行业发展的核心技术问题。目前业界解决“短板效应”的主要手段是追求电池单体在生产和使用过程中的一致性，这必然导致边际成本越来越高，同时依然无法从根本上消除电池系统“短板效应”。因此，本团队率先提出了基于能量数字化的动态可重构电池(dynamic reconfigurable battery，DRB)储能技术，改变了电池发明以来固定串并联的应用范式，将电池之间的物理连接由传统固定串并联的刚性连接改变为程序控制的柔性连接，通过控制每个电池接入充放电回路里的时间实现了“尽力而为”的电池能量管控模式。接着，本团队提出了基于动态可重构电池储能技术的能量控制和系统级本质安全控制方法，将能量控制问题表示为一个优化问题，并分析了基于可控串并联技术的本质安全控制方法。大量实际运行数据表明，动态可重构电池储能技术可以极大提升电池储能系统的安全性和能量效率，为构建大规模长寿命低成本电池储能系统提供了全新的路径。

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锂离子电池热失控监测与预警的气敏技术研究进展

谭则杰, 周晓燕, 徐振恒, 樊小鹏, 田兵, 王志明, 李秋桐, 付佳龙, 李志勇, 郭新

2023 (11): 3456-3470. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0386

摘要 ( 1003 )

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锂离子电池具有能量密度高、输出功率大等优点，是目前得到广泛应用的电化学储能器件之一。然而，电池运行过程中的电滥用、热滥用或机械滥用等会导致热失控发生，并进一步引发起火、燃烧甚至爆炸等安全问题，这严重限制了锂离子电池的发展。在锂离子电池热失控过程中，其内部会由于化学/电化学反应产生O₂、H₂、碳氧化合物(CO₂、CO)、碳氢化合物(C₂H₄、CH₄等)以及氟类气体(HF等)等特征气体，因此可以通过检测释放的气体组分和浓度对电池热失控行为进行监测和早期预警，从而提升电池安全性。本文对锂离子电池热失控的引发方式、产气机理、产气成分及其用于热失控早期预警的气敏技术研究进展进行综述。在此基础上，对热失控特征气体及其传感技术进行总结，并提出未来电池热失控早期预警的气体传感技术的发展思路。

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高温复合相变储热在城市清洁能源改造中的应用

常健, 宋航, 康宇震, 卢涛, 唐志伟

2023 (11): 3471-3478. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0459

摘要 ( 122 )

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高温复合相变储热材料电热装置利用低谷电、弃风电、弃光电等电能，通过电热转换实现能量存储应用，主要用于北方地区清洁供热以及火电机组灵活性改造和深度调峰，由于高温复合相变储热材料电热装置利用低谷电进行供暖，使得供暖成本大幅降低。本文针对北京城区一个锅炉房“油改电”供热工程，综述了高温复合相变储热装置，着重介绍了该装置的储热材料及运行原理，并根据供热工程目标用户的热负荷，进行了高温复合相变储热系统的设计。对于改造的可行性，本团队在负荷计算的基础上重点分析了整个采暖季能源消耗和运行费用，并与改造前做了详细对比。研究结果表明基于高温复合相变储热装置的供暖系统，不仅可以满足用户的热需求，还减少了碳排放，经计算改造后一个供暖季可减少591.85吨碳排放。同时由于该系统充分利用了低谷电，降低了供暖成本，与直热式供暖系统相比运行费用降低了57.76%，与燃油锅炉相比，运行费用降低了84.23%，实现了清洁能源的高效利用，提高了系统的经济性，也证明了改造的可行性。

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基于弛豫过程特征提取的锂离子电池健康状态估计

耿陈, 孟锦豪, 彭乔, 刘天琪, 曾雪洋, 陈刚

2023 (11): 3479-3487. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0510

摘要 ( 309 )

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PDF(3335KB) ( 242 )

锂离子电池是当前固定式电化学储能的重要方式，电池健康状态(state of health，SOH)估计对于锂电池安全稳定运行具有重要意义。目前，健康特征的提取集中在电池的充电阶段，对静置阶段，即弛豫阶段提取健康特征的方法较少。本文基于电池充放电后弛豫阶段曲线，提出了一种从弛豫阶段提取健康特征并结合高斯过程回归进行SOH估计的方法。首先，根据三元离子电池的加速循环老化测试数据，分析了弛豫阶段时间常数的变化规律，采用了幂函数进行建模，较好地反映了电池端电压在弛豫阶段的变化。其次，提取了能够表征弛豫阶段的关键特征，结合高斯过程回归建立了电池SOH估计模型。最后，在不同老化电流倍率的电池上进行了精度验证，比较了采集15分钟和采集60分钟弛豫曲线时的误差结果，也比较了高斯过程回归方法相较于支持向量机与树回归方法的精度，并在多个荷电状态下(state of charge，SOC)验证了SOH估计精度。研究结果表明，所提出的SOH估计模型，在验证上其均方根误差最优可达到0.6%，在采用15分钟数据进行SOH估计时，均方根误差仍能小于1%，有着良好的估计效果。

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基于多循环特征的储能电池SOH估计模型

张宣梁, 何霆, 朱文龙, 王屾, 曾建华, 徐泉, 牛迎春

2023 (11): 3488-3498. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0485

摘要 ( 225 )

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PDF(3155KB) ( 149 )

准确估计电化学储能电池的SOH(state of health)对于确保电池的安全可靠工作至关重要。数据驱动方法在SOH估计领域得到广泛应用，但现有方法忽略了电池循环过程中多个连续循环之间的时序健康信息和特征挖掘，以及这些特征与SOH值之间的关系。为解决这些问题，本研究提出了一种名为MCNet(multi-cycle net)的新型SOH估计模型。该模型不需要手动提取健康特征，只需输入电池充电阶段的电流和电压，即可自动挖掘单次循环中与SOH估计相关的特征，并提取多个连续循环之间的相关特征，进而融合上述特征进行SOH估计。首先，为了构造模型的多循环张量输入数据并提升模型的收敛速度，将每个循环内充电阶段长度不同的采样数据进行长度对齐、最大-最小归一化以及拼接多个连续历史循环数据的预处理；其次，将上述预处理后的张量数据作为模型的输入，建立MCNet模型对公开电池数据集进行预测，平均绝对误差都在1%以内、均方根误差都在1.5%以内；最后，将本文所提出的模型与其他常用的序列预测模型进行比较，并与仅使用单次循环下的电流、电压数据作为输入进行了对比实验，结果表明，本文提出的模型具有较高的SOH估计精度，并且使用多个循环的电流、电压数据作为输入可以提升估计精度。

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基于交流阻抗谱的铅酸蓄电池健康状态检测

刘润兴, 盖玉成, 杨品哲, 张巍, 刘芹, 丁泽俊, 莫熙喆

2023 (11): 3499-3507. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0427

摘要 ( 265 )

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PDF(3094KB) ( 146 )

阀控式铅酸电池(valve-regulated lead-acid batteries，VRLA)作为后备直流电源广泛用于变电站，其性能直接影响变电站核心装备的安全运行。健康状态(state of health，SOH)是评价电池性能劣化的重要指标，但专门针对VRLA用核容评估其SOH则周期长、成本高。为快速便捷地获取铅酸电池的SOH，本工作提出了一种基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)的变电站用铅酸电池SOH快速检测装置。该装置通过对电池注入0.1～200 Hz正弦激励电流，运用可调二级放大电路得到不同频率下的响应电压，通过快速傅里叶(fast fournier transform，FFT)计算得到电池EIS，阻抗测量范围更宽，测量时间更快。以不同健康状态的电池交流阻抗谱作为基准，对比分析EIS信号与标准电池交流阻抗谱，运用分段阻抗相关评估法确定目标电池的健康状态，将EIS测量与SOH估算集成于一体。实验表明，所提装置对不同电池的SOH检测结果平均误差为0.69%，最大误差为2.041%，且测试时间小于2 min。

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基于容量增量曲线与GWO-GPR的锂离子电池SOH估计

王琛, 闵永军

2023 (11): 3508-3518. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0458

摘要 ( 306 )

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PDF(3119KB) ( 97 )

电池健康状态(state of health， SOH）的准确估计是电池管理系统的关键技术之一，对保障电动汽车安全、可靠运行至关重要。针对当前高斯过程回归(gaussian process regression，GPR)中单一核函数泛化性能不足，超参数选取易陷入局部最优导致SOH估计精度较低的问题，提出一种灰狼优化算法(grey wolf optimization，GWO)和组合核函数改进GPR的SOH估计方法。首先，基于容量增量分析法提取用于表征电池老化的特征，对电池恒流充电的容量-电压曲线插值并以差分法计算容量增量(increment capacity，IC)曲线，应用Savitzky-Golay滤波平滑处理，提取峰值高度、峰值电压及峰面积作为健康特征；其次，引入多维尺度变换(multidimensional scaling， MDS)消除特征冗余性同时降低模型计算复杂度，利用Pearson系数验证所提健康特征与SOH的相关性；然后，结合SOH退化轨迹的非线性和电池容量再生的准周期性特点，将神经网络核函数与周期核函数组合作为GPR的协方差核函数，以GWO对组合核函数超参数的初值进行优化；最后，基于NASA电池数据集将所提方法与SVR、ELM、GPR模型作对比，检验GWO-GPR模型的准确性，估计结果的最大均方根误差(root mean square error，RMSE)和平均绝对误差(mean absolute error，MAE)分别为1.03%和0.5%，以第60、80、100个循环为估计起始点，验证模型的鲁棒性，结果显示最大RMSE控制在1.03%以内。

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基于LSTM&GRU-Attention多联合模型的锂离子电池SOH估计

毛百海, 覃吴, 肖显斌, 郑宗明

2023 (11): 3519-3527. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0514

摘要 ( 252 )

HTML ( 23 )

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锂离子电池的健康状态(state of health，SOH)准确估计对于储能电站的稳定高效运行至关重要。为了进一步提高数据驱动方法对SOH估计的精度，本团队提出了一种利用交叉验证训练的线性回归加权融合模型的方法。首先，从放电电压曲线、充电和放电温度曲线中提取了健康特征，并使用Pearson相关系数对所选特征进行了相关性分析，确定了网络模型输入的健康因子参数。随后，通过在LSTM与GRU中加入注意力机制，建立了LSTM-Attention与GRU-Attention模型，分别以NASA电池老化数据集B0005、B0006、B0007和B0018电池的前50%作为模型训练集，用剩余数据对模型进行验证，分别得到了模型对应的 $y^L - A$ 与 $y^G - A$ 估计值，然后使用所提融合模型方法对两个估计值进行线性回归加权，结果显示该方法的最大均方根误差和平均绝对误差分别为0.00291和0.00200。最后，为验证所提模型的抗干扰能力，在输入模型的健康因子中加入不同比例的高斯白噪声，实验结果显示融合模型的抗干扰能力较强，最大均方根误差和平均绝对误差仅为0.03562和0.02889。

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适应高电流倍率工况的锂离子电池等效电路模型

代云腾, 彭乔, 刘天琪, 曾雪洋, 陈刚, 李燕, 孟锦豪

2023 (11): 3528-3537. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0447

摘要 ( 302 )

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等效电路模型(equivalent circuit model，ECM)是电池模型的主要类型之一，对电池特性分析和状态估计非常重要。然而，当前广泛使用的基于阻容(RC)结构的电池ECM无法应对复杂多变场景。例如，传统ECM无法反映电池极化电压在高电流倍率下的特殊现象，即传统ECM不能准确表征电池在高电流倍率下的阻抗特性。针对这一问题，本团队在不同SOC下进行了电池峰值电流实验，通过实验数据分析了电池在峰值电流下的极化电压和阻抗特性。然后，引入负电阻电容环节拟合实验结果，对传统ECM进行改进以充分体现高电流倍率下的电池极化现象。通过比较传统RC环节与负电阻电容环节特性，提出了基于阻抗特性曲线拐点的参数分离方法，其计算量小，模型求解便捷。最后，对分离参数后的模型进行验证，结果表明所提ECM及参数获取方法能够较好地模拟高电流倍率下电池的极化电压变化，进而更加准确地表征电池电压特性，模型输出与实验结果误差小于0.05 V。所提ECM相比于传统的RC模型精确度得到了极大提升，且不依赖于复杂的电化学模型，维持了模型的简单结构。

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低温条件下磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池阻抗研究

李萌, 王跃, 邱景义, 文越华, 朱振威, 孟闻捷

2023 (11): 3538-3544. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0503

摘要 ( 433 )

HTML ( 97 )

PDF(3329KB) ( 464 )

锂离子电池因为其高功率密度、高能量密度、长循环寿命等优势，在军、民领域均有广泛应用。然而锂离子电池在低温环境下性能会发生极大衰减，这阻碍了其在极端环境如极地、高原、太空等领域中的应用。本工作以常见的磷酸铁锂-人造石墨体系锂离子电池为研究对象，采用软包三电极装置，研究了不同温度下(-20～25 ℃)电池的放电性能，结合电化学阻抗谱，分别独立研究电池正极和负极在低温条件下的放电行为和阻抗特征，分析了制约电池低温性能的主要限制因素，为进一步改善电池的低温性能提供了依据和途径。研究表明，负极的电荷转移阻抗是电池阻抗的主要来源，其电极极化是造成电池极化的主要原因，是电池性能的主要限制因素，但是随着温度的降低，正极极化对电池极化的贡献增加，当温度降低到-10 ℃以下时，正极成为电池低温性能的主要限制因素。

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锂离子电池安全状态评估研究进展

宋爽, 李福, 唐西胜

2023 (11): 3545-3555. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0512

摘要 ( 575 )

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PDF(2695KB) ( 358 )

锂离子电池安全状态评估综合了影响电池安全的因素，定量获取内外部条件对电池安全的持续影响程度，在全寿命周期内监测和跟踪电池的安全状态，可为故障超前预警和智能运维提供判定依据，对提升系统的安全性和可靠性具有重要意义。然而，锂离子电池失效模式多、影响机制复杂、安全状态定义模糊，目前专家学者对于电池管理系统和大数据平台中的电池安全状态评估结果的可用性和准确性还存在诸多疑问。本文通过对近期相关文献的探讨，综述了当前主流的电池安全状态定义与分级策略，介绍了定性和定量两种电池安全状态评估方法，分析了影响电池安全状态的多种因素及其安全边界。对于电池安全状态影响因素多而复杂的问题，着重总结了电压、环境温度、电流、机械变形、极限外部条件、荷电状态、健康状态、内阻、析锂状态这9种因素对锂离子电池安全的影响机制。最后提出了当前锂离子电池安全状态评估研究在多因素耦合关联机制、安全阈值迁移模型和定量评估方法三方面还存在不足，为接下来的研究指明了发展方向。

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锂电池百篇论文点评（2023.8.1—2023.9.30）

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

2023 (11): 3556-3571. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0732

摘要 ( 440 )

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该文是一篇近两个月的锂电池文献评述，以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science 从2023年8月1日至2023年9月30日上线的锂电池研究论文，共有4706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、尖晶石材料的表面包覆和掺杂改性，以及其在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和界面的改性。金属锂负极的研究集中于金属锂的表面修饰。固态电解质的研究主要包括对硫化物固态电解质、氯化物固态电解质、氧化物固态电解质和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层状氧化物正极材料在硫化物、氧化物固态电池中的应用。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干法等电极制备技术。测试技术涵盖了锂沉积和正极中锂离子输运等方面。理论模拟工作涉及电解液的物理性质模拟，界面方面工作侧重于固态电池中电极界面的稳定性研究。

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碱性-质子交换膜水电解复合制氢平准化成本分析

林旗力, 戚宏勋, 黄晶晶, 张炳成, 陈珍, 肖振坤

2023 (11): 3572-3580. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0527

摘要 ( 262 )

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随着“碳达峰、碳中和”战略的推进，氢能的重要性不断提升。在绿氢制备领域，碱性水电解(AWE)-质子交换膜水电解(PEM)复合制氢技术具有很好的应用前景，但是该技术的经济性以往较少受关注。平准化制氢成本(levelized cost of hydrogen，LCOH)是从全生命周期尺度量化水电解制氢经济性的指标。本工作首先建立了制氢系统LCOH模型，并对按4∶1配置AWE和PEM的10000 m³/h复合制氢系统进行了定量分析，最后开展了敏感性分析。结果表明，复合制氢系统LCOH为33.22元/kg，比纯AWE制氢系统高3.31元/kg，其中电费成本占到其全生命周期成本的53.32%。提高PEM比例可有效提高制氢系统对可再生能源波动性的适应程度，但是PEM配置比例对制氢成本的影响较明显。实际项目中应密切关注电解槽设备的成本变化，通过LCOH模型优化PEM配置比例。以33.22元/kg H₂为参考目标水平，当PEM电解槽系统价格下降20%和40%时，PEM配置比例可分别提高至27.92%和46.25%。与常规水电解制氢系统类似的是，控制电价对提高复合制氢技术经济性非常关键，电价下降0.01元/kWh可带来制氢系统LCOH约0.45元/kg H₂的降幅。对于当前的配置比例，在采购预算有限的前提下建议优先考虑提升AWE电解槽系统的制氢电耗指标。

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自动控制与储能技术在智能微电网中的应用

吕志敏

2023 (11): 3581-3582.

摘要 ( 74 )

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基于低碳经济探索新能源产业发展的内在潜力

何芳

2023 (11): 3583-3584.

摘要 ( 44 )

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“双碳”环境下储能系统的商业模式及典型案例分析

齐屹, 白斌

2023 (11): 3585-3586.

摘要 ( 54 )

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共享经济模式下储能企业商业模式创新性发展方向

杨帆

2023 (11): 3587-3588.

摘要 ( 62 )

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低碳经济背景下新能源行业发展现状分析

袁威

2023 (11): 3589-3590.

摘要 ( 53 )

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数字经济背景下新能源发电企业经济管理模式探讨

聂海振

2023 (11): 3591-3592.

摘要 ( 32 )

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基于双创能力培养的能源专业教学改革与创新研究

刘昀

2023 (11): 3593-3594.

摘要 ( 35 )

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