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    2019年, 第8卷, 第6期 刊出日期:2019-11-01 上一期    下一期
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    2019 (6):  0-0. 
    摘要 ( 29 )   PDF(18975KB) ( 173 )  
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    特约文章
    《锂电池失效分析与测试技术专刊》特邀主编寄语
    李泓
    2019 (6):  0. 
    摘要 ( 55 )  
    新能源汽车、大规模储能和先进消费电子领域的快速发展,对锂离子电池的能量密度、循环寿命、充放电倍率和安全性不断提出新的要求,服役过程中,这些关键性能不断演变,电池存在逐渐或突然失效的普遍现象。 失效分析是产品设计,工艺验证改进,产品质量提升、故障分析有效的方法。失效分析对产品的研发、设计、生产和使用都具有重要的作用。失效可能发生在产品寿命周期的各个阶段,涉及产品的研发设计、来料检验、加工制造、测试筛选、客户端使用等各个环节。通过分析工艺废次品、早期失效、试验失效、中试失效以及现场失效的样品,确认失效模式、分析失效机理,明确失效原因,给出预防策略,可以减少或避免失效的再次发生。电池性能不满足或不具备预期设计功能目标,或者衰减比预期更快,甚至导致安全事故,是锂离子电池领域失效分析所关注的核心内容。其与原材料、电芯设计、加工工艺、使用环境等因素相关。通过失效分析,可以建立电池性能或性能衰减与影响因素之间的关系,建立完善的失效树。在材料设计、加工,电芯设计、制造,使用过程中对影响因素进行有效的预防、管控,有助于提高电池产品的性能与竞争力,改善售后服务,提升用户体验。 高水平的失效分析,离不开先进的测试技术。全寿命周期锂离子电池的SOC、SOE、SOP、SOH精准测量和预测技术,无损检测、原位测量、高空间分辨率三维成分、价态、结构的分析测量,产热、散热、热扩散、热稳定性分析,高速度电化反应过程的记录跟踪等测量技术、系统的电化学测试技术以及正交实验设计和大数据分析是失效分析发展的基础。目前测试和失效分析方法与实验技术还需要进一步研发,积累。因此,应《储能科学与技术》期刊邀请,我组织了本期专辑,本专辑收集了国内高水平研究团队在电池测试和失效分析方面的研究论文综述,包括电池材料及电池的电位曲线、材料结构、力、热以及毒物分析以及核磁、超声、原位电镜等实验技术,希望能通过这些论文的发表,引起研究人员和工程人员对锂电池失效分析的关注,推动我国锂电池失效分析技术的进步,提高我国电池的研究和开发水平。 在本专辑出版之际,我谨向对本专辑给予支持的厦门大学、华东师范大学、清华大学、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、北京理工大学、陆军防化学院、燕山大学等单位表示诚挚的谢意!对为本专辑撰文的各位专家学者致以最衷心的感谢!同时对《储能科学与技术》编辑部各位编辑为本刊付出的努力以及领域专家对本期刊长期的无私奉献致以最崇高的敬意!
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    目录
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    2019 (6):  1-0. 
    摘要 ( 24 )   PDF(1527KB) ( 77 )  
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    2019 (6):  2-0. 
    摘要 ( 24 )   PDF(272376KB) ( 46 )  
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    锂电池失效分析与测试技术专刊
    锂离子电池三元层状氧化物正极材料失效模式分析
    陈晓轩, 李晟, 胡泳钢, 郑时尧, 柴云轩, 李东江, 左文华, 张忠如, 杨勇
    2019 (6):  1003-1016.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0111
    摘要 ( 173 )   PDF(8298KB) ( 647 )  
    镍钴锰三元层状氧化物(NCM)正极材料由于其优越的综合性能在动力/储能电池系统(ESS)领域得到广泛应用。虽然Ni含量的增加可提高三元材料的比容量及电池的能量密度,但相关电池体系的容量保持率和安全性将会变差。如何有效解决该矛盾是此类NCM电池所面临的关键问题。本文从NCM电池体系循环过程中常见的体相结构破坏和正极-电解液界面组成改变两方面失效现象出发,结合近年来国内外对NCM失效模式研究中所提出的新理论、方法、应用,从机械破坏、结构演变、电化学极化、化学副反应、正负极协同效应等多个角度对NCM材料的衰退机理提出见解,对指导电池用户合理制定充放电协议、缓解电动汽车(EV)里程焦虑乃至材料设计本身均有重要的指导及借鉴意义。
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    锂离子电池中重要正极材料体系的磁共振研究进展
    耿福山, 胡炳文
    2019 (6):  1017-1023.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0186
    摘要 ( 127 )   PDF(3444KB) ( 226 )  
    锂离子电池得到了快速发展,并改变了我们的生活。锂离子电池正极材料的研究是提高电池性能的关键;而理解正极材料的性能与结构之间的关系、阐释正极材料的电化学反应机理(尤其是性能衰减与失效机理)有助于提高材料的能量密度和功率密度。磁共振技术(含核磁共振和顺磁共振)在过去三十多年的研究中不断进步,逐渐成为研究正极材料构效关系的关键技术之一。本文总结了几个重要的已经商业化的正极材料(LiCoO2、NCA、NMC和LiFePO4)的磁共振研究进展,展示了核磁共振、顺磁共振在正极材料构效关系研究中的重要作用;尤其值得一提的是原位技术的发展在电化学反应机理中逐渐显示出其重要性。本文有助于了解磁共振技术在电池材料研究中的重要价值,并进一步推动磁共振技术的发展。
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    固态聚合物锂电池失效机制及其表征技术
    孙兴伟, 王龙龙, 姜丰, 马君, 周新红, 崔光磊
    2019 (6):  1024-1032.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0112
    摘要 ( 194 )   PDF(5173KB) ( 462 )  
    固态聚合物锂电池具有高能量密度和高安全性的优点,有望解决新能源汽车的续航里程焦虑和安全问题。但是,现有的固态聚合物锂电池存在容量衰减快、过充、产气、内短路、日历失效等电池失效问题。而且,由于聚合物电解质不耐辐照,其较强的界面黏附性使得电极/电解质界面难以剥离,导致缺乏合适的表征技术深入研究固态聚合物锂电池的失效机制,这极大的限制了科学家对电池失效机制的深入理解,制约了电池失效解决方案的发展。因此,本文从锂枝晶生长、正极结构演变与机械失效、界面微结构演变和界面反应、聚合物电解质结构变化的角度出发,回顾了固态聚合物锂电池失效机制及其表征技术的研究进展,阐述了固态聚合物锂电池失效机制的研究思路。
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    超声技术在锂离子电池表征中的应用
    邓哲, 黄震宇, 刘磊, 黄云辉, 沈越
    2019 (6):  1033-1039.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0146
    摘要 ( 118 )   PDF(2187KB) ( 265 )  
    锂离子电池由于其在能量密度、循环寿命、能量效率、安全性等方面的综合优势,成为了应用最广泛的电化学储能器件,然而其性能仍有进一步提升的必要。大量的先进表征技术应用在锂电池研究中,有力推动了锂离子电池基础理论的进步。超声作为一种无损表征手段,具有灵敏度高、成本低、使用方便、速度快等优点,在电池特性表征领域具有巨大的应用潜力。本文总结概述了现有超声检测技术在电池表征领域的应用,包括内部气体检测、电解液浸润测试、电池析锂检测、电池荷电状态测量、电池寿命预测等,对其发展前景进行了展望。
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    锂离子电池失效中析锂现象的原位检测方法综述
    樊亚平, 晏莉琴, 简德超, 吕桃林, 俞梦, 王振宇, 张全生, 解晶莹
    2019 (6):  1040-1049.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0115
    摘要 ( 108 )   PDF(3801KB) ( 354 )  
    锂离子电池在应用过程中常出现一些失效现象如循环寿命缩短、自放电率变大、功率特性劣化等,甚至发生安全问题。负极析锂是导致这些失效甚至安全问题的主要因素之一,因此了解析锂的原因与过程就显得格外重要。探明析锂原因的关键是表征锂的存在和锂枝晶的生长过程。本文综述了锂离子电池负极析锂现象常用的原位检测技术,包括物理检测法和电化学法。物理检测法主要介绍:光学原位技术、原位X射线技术、原位核磁技术以及原位中子技术,电化学方法包含:充放电电压曲线法、Arrhenius法、内阻容量曲线分析法和容量衰减率法。本文针对物理检测法的原理、优缺点以及对应的特殊检测装置实例,电化学检测法的原理及分析方法等进行简要概述,并对目前析锂原位检测存在的问题进行总结及其研究方向进行展望。
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    原位透射电镜技术在电池领域的研究进展
    张利强, 唐永福, 刘秋男, 孙海明, 杨婷婷, 黄建宇
    2019 (6):  1050-1061.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0117
    摘要 ( 172 )   PDF(2940KB) ( 344 )  
    本文总结了原位透射电镜在电池研究领域的一些重要研究进展。虽然经过多年的研究,但是电极材料以及其与电解质界面(SEI)在充放电过程中结构、形貌、成分的变化过程还不清楚,以上结构演化与电池性能的相关性更是了解甚少,急需要设计一种新的实验技术可以在微观尺度上对其变化进行观察,原位透射电镜技术正是为了满足这样的需求而设计的。原位电镜拥有高时空分辨率和能量分辨率,可实时观察各类纳米电极材料及SEI在充放电过程中的微观变化。本文首先讨论在透射电镜中组装纳米电池的实验方法,然后讨论了应用此技术在研究锂离子电池、金属空气电池等领域的一些重要研究进展,最后对应用原位透射电镜技术研究电池的未来发展方向进行展望。原位透射电镜技术可以直接和实时观察电极材料和SEI在电化学反应中的微观变化行为,这对于深入了解电池失效机理和设计高性能电池具有重要指导意义。
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    锂离子电池内部力学与温度参量在位表征方法
    冯小龙, 杨乐, 张明亮, 陶然, 韩雨, 温家伟, 王潘丁, 宋维力, 艾士刚, 陈浩森, 方岱宁
    2019 (6):  1062-1075.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0205
    摘要 ( 107 )   PDF(6073KB) ( 288 )  
    近年来,对高能量密度锂离子电池需求日益迫切,以硅基负极、三元正极为代表的高容量材料研究进展显著,与传统电极材料相比,其力学失效与热失控等问题也变得更为突出。从力学结构角度来看,锂电池电芯是典型的密封结构,在全寿命周期的服役过程中,在电池内部发生电/化/力/热多场耦合共同作用,因此,在位表征电池内部的力学与温度参量对揭示锂离子电池内部力学失效与热失控机理具有重要意义。着重介绍锂离子电池内部力学和热失效在位表征方法,包括:①内部力学量测量方法如原子力显微方法、在位光学方法、在位扫描电镜法、在位X射线断层扫描法等;②内部温度量测量方法如在位红外方法、内埋温度传感方法等。
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    锂离子动力电池中等荷电状态下热失控产物喷发过程
    王贺武, 张亚军, 李成, 李伟峰, 欧阳明高
    2019 (6):  1076-1081.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0057
    摘要 ( 348 )   PDF(2675KB) ( 300 )  
    以电动汽车用方壳型镍钴锰(NCM)锂离子动力电池为研究对象,以氮气为惰性保护,采用高速摄影的方法,在密闭容器内开展了电池热失控产物喷发过程的试验研究。检测压力突变表明,中等荷电状态下的电池热失控后的喷发过程出现了2次剧烈喷射,分别导致了喷发物射流区温度的突然降低和快速升高。借助辅助光源,捕捉到了热失控产物首次喷发演变过程的高速影像,进一步分析发现,首次喷发经历了初期的带状和锥形喷发,然后进入较长时间的无定形喷发和后期的倒锥形喷发;同时,在影像中还观察到了气-液-固三相共存的特征。
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    锂离子电池电热触发热失控泄漏毒物研究
    解洪嘉, 孙杰, 李吉刚, 周添, 卫寿平, 伊志豪
    2019 (6):  1082-1088.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0126
    摘要 ( 46 )   PDF(2788KB) ( 167 )  
    为探究锂离子电池电热触发热失控过程,本工作在研究和建立电热触发锂离子电池热失控方法的基础上,对不同荷电状态下18650锂离子电池进行电热触发热失控,分析了电热触发18650锂离子电池热失控现象,对热失控过程中泄露的气体进行采集与分析。研究结果表明,电热方法可以触发18650锂离子的热失控,该热失控过程中会产生有毒气体,同时伴随浓烟和高温,防护不当将对人体和环境造成伤害。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    锂离子电池开路电压曲线形状与多阶段容量损失
    葛昊, 李哲, 张剑波
    2019 (6):  1089-1095.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0098
    摘要 ( 64 )   PDF(2468KB) ( 263 )  
    锂离子电池老化过程中的多阶段容量损失,即由大致成线性的容量损失阶段突然变为急速下降的容量损失阶段,引起了人们越来越多的关注。我们发现这种多阶段容量损失特征可以由锂离子电池开路电压曲线的多段斜率形状引起。电池老化过程中的内阻增加,给定放电规程下的放电截止电压落到电池开路电压曲线的不同斜率区间,导致了不同的容量损失速率。为了解释这一现象,我们首先以一个两阶段的示例演示了此过程,然后,建立了一个通用的模型来模拟电池老化过程中的容量多阶段衰减,该模型考虑了电池正负极的开路电压曲线与内阻,可以引入多种材料体系、多种老化机理。本研究为锂离子电池老化行为研究提供了新的视角,可为锂离子电池全生命周期使用提供帮助。
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    进展与评述
    铅氧化还原液流电池的研究进展及前景分析
    薛雅文, 谢梦茹, 李金东, 熊睿, 袁笃, 郭志刚, 邓成智, 吴旭
    2019 (6):  1096-1106.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0109
    摘要 ( 79 )   PDF(1020KB) ( 94 )  
    铅氧化还原液流电池作为一种新型铅电池,具有一定的应用前景,正在逐渐成为电化学储能领域的一个研究热点。自2004年铅液流电池被提出15年来已经有不少相关研究,本文分析了铅液流电池的理论性能,回顾了其发展历程,介绍了其研发现状。现有研究中,电极面积为100 cm2的铅氧化还原液流电池可实现充电效率为90%和电压效率为80%的100次循环,且已有研究者对电极面积为1000 cm2的电池堆进行了测试。计算与分析表明,铅液流电池与传统铅酸电池相比具有更低的储能成本,仅为0.265 ¥·(kW·h)-1。铅液流电池目前急需解决的问题包括:①开展放大的试验;②筛选或开发集流体材料进一步降低成本;③研究其失效机理以提高其循环寿命;④找到合适的方法修复失效铅液流电池。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    相变储能强化传热技术的研究进展
    金光, 肖安汝, 刘梦云
    2019 (6):  1107-1115.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0137
    摘要 ( 105 )   PDF(1051KB) ( 149 )  
    相变储能是通过相变材料吸/放热过程来实现能量储存的技术,它能够解决热量供需时间、空间和强度上的不匹配,并以其高储能密度成为储能领域的研究热点,但由于相变材料的热导率较低,使其应用受到限制。针对相变储能材料熔化/凝固过程中热导率低引起的传热速率慢的问题,从优化储能设备结构、添加剂提高相变材料热导率以及联合强化传热技术三方面综述国内外相变材料储能强化传热技术的最新进展。通过比较各种强化传热方式的优劣,实验和模拟均显示复合强化传热即可解决相变材料热导率低,又增大传热面积,从而提高相变材料的传热性能;多孔金属作为导热添加剂增强导热效果更好;并提出了相变储能强化传热技术未来需要解决的相关技术难题。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    研究开发
    LiFePO4/S复合正极材料的制备及其电化学性能
    朱蕾, 江小标, 贾荻, 颜廷房, 吴勇民, 汤卫平
    2019 (6):  1116-1125.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0083
    摘要 ( 113 )   PDF(6916KB) ( 190 )  
    以提高磷酸铁锂体系动力电池的能量密度为目的,在LiFePO4正极材料中加入少量S材料球磨制得LiFePO4/S复合正极材料。使用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了结构和形貌,并分别组装扣式电池和软包电池测试其电化学性能。结果表明,磷酸铁锂纳米颗粒致密均匀附着在硫材料表面,构成具有包覆性结构的复合材料。在不同比例的LiFePO4/S复合材料中,硫的添加量为15%的LiFePO4/S复合正极材料表现出最优异的电化学性能,0.1 C下的初始容量为251.5mA·h/g,循环100周之后容量保持率达94.9%。以该比例的复合材料为正极的0.5A·h软包电池,循环100周后容量保持率为86.7%。LiFePO4作为一种极性载体,对多硫化物有一定的吸附能力,少量硫的加入可以在大幅度提高LiFePO4材料放电容量的同时,维持优异的循环稳定性。LiFePO4/S复合材料可为磷酸铁锂体系动力电池的发展提供新的思路。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    MXene/银纳米线超级电容器电极材料的电化学性能
    孟奇, 刘晓辉, 孙铭泽, 王其洋, 毕红
    2019 (6):  1126-1131.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0072
    摘要 ( 97 )   PDF(2864KB) ( 161 )  
    新型二维材料MXene具有比表面积大和导电性好等优点被广泛应用于超级电容器上,而银纳米线(AgNw)具有优异的导电性,是一种良导体。采用简单的混合自组装法制备出MXene/Ag Nw复合薄膜。使用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)对其进行物像分析,利用电化学工作站对复合材料的电化学性能进行探究,结果表明当Ag Nw掺杂量为5%时电化学性能最好;在扫描速率为10 mV·s-1时,比电容可达379.06 F·g-1;并且电极具有良好的循环稳定性,恒电流10 A·g-1下,1000次充放电后电容保持率达98.20%。
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    基于微乳液法的多孔棒状结构MnFe2O4制备及电化学性能
    丛龙达, 邢雅兰, 靳宝贻, 吴昊, 赵光金, 张世超
    2019 (6):  1132-1136.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0088
    摘要 ( 78 )   PDF(2372KB) ( 64 )  
    本工作以硫酸亚铁和乙酸锰为原料,在表面活性剂双(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠气溶胶作用下,通过微乳液法合成了前体,锻烧后得到了具有多孔结构的一维棒状MnFe2O4材料。棒直径约200 nm、长度2~3 μm,含有大量孔径在13~35 nm的介孔结构。将制备的MnFe2O4作为锂离子电池负极材料,进行电化学性能测试,在100 mA/g的电流密度下200圈循环仍能保持630 mA·h/g以上的容量,同时也具有良好的倍率性能。研究显示多孔棒状MnFe2O4是一种具有应用前景的锂离子电池负极材料。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    高性能氮掺杂石墨烯的制备及其储锂性能
    沈进冉, 郭翠静, 陈赫, 周淑琴, 徐斌, 官亦标
    2019 (6):  1137-1144.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0172
    摘要 ( 95 )   PDF(2394KB) ( 68 )  
    石墨烯是一种具有高比表面积、高导电性和良好化学稳定性的新型二维碳材料,在电化学储能领域具有广阔的应用前景。氮原子掺杂可以制造结构缺陷并改变电荷分布,有利于增强其电化学储能性能。本工作以尿素为氮源,与氧化石墨烯混合冻干,经过高温热还原制备出氮掺杂石墨烯材料,研究了热还原温度对其化学组成、形貌结构以及电化学储锂性能的影响。研究结果表明,随着热还原温度的升高,材料的氮含量下降,石墨化程度升高,电导率提高。将其作为负极材料组装成锂离子半电池进行测试,样品N-rGO-800在0.05 A/g的电流密度下表现出高达876 mA·h/g的稳定比容量,优于目前文献报道的比容量。在1 A/g的大电流密度下,其依然具有584 mA·h/g的比容量,经过850圈的长循环,容量保持稳定,显示出该材料优异的循环和倍率性能。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    超级电容在高速铁路再生制动能量存储中的应用及控制
    张友鹏, 杨宏伟, 赵珊鹏
    2019 (6):  1145-1150.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0132
    摘要 ( 85 )   PDF(2192KB) ( 73 )  
    针对高速列车在制动过程中产生的再生制动能量得不到有效利用的问题,提出一种基于超级电容(supercapacitor,SC)的高速铁路再生制动能量存储方案。该方案以铁路功率调节器(railway power conditioner,RPC)作为接口电路,将储能装置与牵引供电系统连接在一起,采用超级电容作为储能介质,通过双向DC/DC变流器与铁路功率调节器直流侧相连,从而实现能量存储与补偿负序电流的功能。在研究储能方案拓扑结构的基础上,分析了负序电流的补偿原理,并根据补偿原理研究了储能方案的控制策略,对RPC两变流器采用滞环控制的方法,对储能装置中的双向DC/DC变流器采用电流闭环的控制方法。仿真结果表明,所提出的存储方案能够有效回收利用高速列车产生的再生制动能,并对负序电流进行补偿,改善电网侧电能质量。
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    基于MMC的车载超级电容储能系统综合控制策略
    杨丰萍, 郑文奇, 金林, 谢梦莎, 刘锋
    2019 (6):  1151-1158.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0093
    摘要 ( 90 )   PDF(1764KB) ( 51 )  
    针对单辆城轨列车在起动、制动过程中对牵引网电压造成冲击从而引起网压不稳定的问题,提出一种基于MMC的车载超级电容储能系统(车载MMC-SCESS),该系统以MMC拓扑结构作为主电路,通过将超级电容储能单元分散接入MMC子模块中,提高系统的控制灵活性与容错性;其次以车载MMC-SCESS的整体结构为研究对象,详细分析其a相桥臂电路工作原理,总结出每个储能子模块的一般工作模式。针对该储能系统主电路结构,提出采用综合控制策略,通过控制超级电容储能单元的充放电状态来实现能量在城轨列车、直流牵引网、超级电容储能系统三者之间流动。最后在Matlab/Simulink中搭建三相五电平车载MMC-SCESS仿真模型,仿真波形验证了储能系统控制策略的可行性。
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    基于锂离子电容器的48 V启停电源系统设计
    郭鑫, 赵也非, 郑俊生, 秦楠, 戴宁宁
    2019 (6):  1159-1164.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0110
    摘要 ( 56 )   PDF(1760KB) ( 88 )  
    在自主开发的锂离子电容器基础上,基于AVL-Cruise建立了48 V启停电源系统汽车模型。结合安时法、开路电压法和扩展卡尔曼滤波法,设计了器件荷电状态(state of charge,SOC)估计模块,实现在线SOC估计。在MATLAB/Simulink中建立基于模糊控制的能量管理模型,实现发动机启停、纯电动驱动起步、制动能量回收以及主动滑行等功能。最后,根据新欧洲驾驶循环(New European Driving Cycle,NEDC)工况对电源系统的SOC以及整车油耗进行评估。研究结果证明了该系统可实现误差10%以内的SOC估计,同时基于锂离子电容器的48 V启停电源系统具有很好燃油经济性。
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    高电压锂离子电池高温浮充性能影响因素分析与改善
    孔令丽, 张克军, 夏晓萌, 蔡嘉兴, 孙杰, 杨玉秋
    2019 (6):  1165-1170.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0089
    摘要 ( 102 )   PDF(3167KB) ( 223 )  
    为研究高电压体系锂离子电池浮充性能的影响因素,对浮充失效电池的产气成分、正负极材料的结构变化、金属溶出情况、隔膜形貌及Gurley值变化等进行了深入分析研究,结果表明:电池在长时间高温浮充过程中,正极材料发生相变,金属元素溶出,同时释放O2造成电解液的氧化分解;高温高电压状态下负极SEI膜也会破坏,并发生不断的重整及修复反应,这些反应产物沉积到负极表面及隔膜孔隙内,导致靠近负极侧的隔膜孔隙堵塞甚至贯穿,即引起正负极微短路,释放出大量气体。通过提高正极材料的结构稳定性、优化电解液形成稳定的CEI和SEI,改善增加隔膜的穿刺强度都能明显改善电池的高温浮充性能。
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    Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2/graphite电池在备用电源工况下的交流阻抗
    李守涛, 孟庆函, 阮一钊, 范茂松, 刘皓
    2019 (6):  1171-1175.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0128
    摘要 ( 32 )   PDF(1853KB) ( 94 )  
    以Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2/graphite动力电池为研究对象,在模拟备用电源工况下对动力电池进行交流阻抗测试。通过建立等效电路来研究欧姆阻抗Rs、电荷传递阻抗Rct和扩散阻抗CPEW随不同搁置时间、荷电状态(state of charge,SOC)的变化规律,研究Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2/graphite动力电池在备用电源工况下,容量和阻抗的变化趋势。结果表明:随着搁置时间的增加,电池容量衰减1.7%左右。随着搁置时间的增加,不同SOC下的欧姆阻抗Rs具有相同的变化趋势,电荷传递阻抗明显增加。随着SOC的降低,由双电层产生的电荷传递阻抗在逐渐增加。在SOC=0%时,扩散阻抗随搁置时间的增加而增加,在SOC=100%、50%的扩散阻抗有细微的增加。容量衰退和阻抗结果显示出Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2/graphite动力电池可以很好地在备用电源工况上使用。
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    不同衰退状态磷酸铁锂动力电池组件的燃烧性及危险性研究
    高飞, 王康康, 田宝贵, 陈庆涛, 杨凯, 苏镇西, 张明杰, 刘伟, 范茂松, 刘皓, 耿萌萌, 王凯丰
    2019 (6):  1176-1181.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0133
    摘要 ( 75 )   PDF(1784KB) ( 160 )  
    选用四种衰退状态,容量保持率(capacity retention ratio,CRR)分别为100%、85%、75%及65%的磷酸铁锂动力电池为研究对象,采用锥形量热仪(CONE)对电池关键组件(含电解液的正极片、负极片及隔膜)的燃烧性和生烟性进行了研究,并运用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)综合评价了不同衰退状态电池组件的火灾危险性。结果表明,随着电池容量保持率的下降,电池组件中负极的有效燃烧热值有所下降,并且电池组件的CO2产率和总生烟量逐渐降低;容量保持率100%~85%的电池组件的归一化危险性指数要明显大于75%~65%的电池组件。
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    锂离子电池脉冲充电策略研究及表征分析
    陈立铎, 吉登粤, 徐月, 张晋杰, 马天翼, 魏墨晗
    2019 (6):  1182-1189.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0139
    摘要 ( 58 )   PDF(2478KB) ( 169 )  
    动力电池充电策略对提高电动汽车性能和使用寿命起着至关重要的作用。针对一种三元材料体系18650圆柱形电池进行脉冲充电策略研究,将其与标准恒流恒压充电策略进行综合比对,全面客观地分析脉冲充电策略关键参数对动力电池电性能的影响,并系统地评估了脉冲充电策略对电池寿命的影响。在循环寿命研究方面,采用电化学交流阻抗欧谱(EIS)分析不同循环周数和SOC下的交流阻抗,采用X射线断层扫描(CT)无损分析技术对循环500周后电池结构进行表征分析,揭示了带负脉冲充电策略对电池循环性能和结构影响的关系。
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    改进PSO-RBF模型的分阶查表法荷电状态估计
    陈德海, 马原, 潘韦驰
    2019 (6):  1190-1196.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0129
    摘要 ( 33 )   PDF(3016KB) ( 57 )  
    为了解决纯电动汽车在SOC预测时易受电流波动、工况非线性等因素影响,提出了一种针对锂电池SOC进行动态预测的方法。首先,对粒子群聚类算法的参数组合进行优选并结合优选结果对径向基函数(RBF)神经网络进行改进。然后,通过分析电池在不同工作状态下的特性,将电池分为充电、静置、放电三个状态。针对电池所处的工作状态采取不同的策略对SOC进行预测。在电池放电阶段使用经过改进的PSO-RBF算法对SOC进行动态预测。在电池静置及充电状态使用二分查表法,将考虑温度漂移的开路电压曲线及充电时电流节点突变曲线制成二维数组表,利用制作的二维数组表对SOC的值进行修正。从而减小系统响应时间,同时预测提升精度。实验结果表明,该预测修正模型最大误差约为1.9%,验证了方法的有效性。
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    容量增量内阻一致性在线检测方法
    徐敏, 刘中财, 严晓, 黄碧雄, 王影, 王炯耿
    2019 (6):  1197-1203.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0102
    摘要 ( 104 )   PDF(3002KB) ( 179 )  
    电池包单体内阻的不一致会导致短板单体的过充过放,诱发渐变性故障,加剧电池组的失效,安全检测成为市场需求。本文对不同老化程度的磷酸铁锂充电曲线进行分析之后,提出一种基于容量增量的内阻一致性在线检测方法:对充电数据进行分析得到容量增量峰的特征,进而表征单体之间的内阻差异,最后使用箱型图进行异常检测。使用已设计的电池检测系统对电池包进行在线检测与HPPC检测,验证对比发现:两者归一化的单体内阻分布存在较高的一致性,且容量增量在线检测方法成本低、操作简便,适用于大规模的商业电池进行内阻一致性检测,不会对工程效率以及电池组寿命产生影响。在线检测方法为锂离子电池全生命周期预防性安全检测提供方法指导。
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    数据驱动的锂电池健康状态估算方法比较
    陈翌, 白云飞, 何瑛
    2019 (6):  1204-1210.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0103
    摘要 ( 53 )   PDF(2626KB) ( 312 )  
    回顾了人工神经网络、支持向量回归、高斯过程回归三种主流数据驱动方法在动力电池健康状态(stateof health,SOH)估算方面的研究进展。人工神经网络适合模拟动力电池,能达到很高的精度;支持向量回归计算量小,理论基础完善,在动力电池SOH估算研究中应用广泛;高斯过程回归精度高并能给出预测结果的置信区间,近年相关文献数量呈现增长趋势。针对现行SOH定义未能反映锂电池额定电压衰退的弊端,提出了利用电池满充能量定义SOH。进而分别建立了BP神经网络、支持向量回归、高斯过程回归模型,利用新能源汽车大数据,对电池充电能量进行了预测,定量对比结果验证了三种方法在计算量和精确度方面的特点。最后展望了数据驱动方法与新能源汽车大数据在动力电池SOH估算研究方面的应用前景。
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    电制热固体储热装置关键参数设计研究和经济性评估
    邢作霞, 赵海川, 马士平, 代俊雯, 刘毓颖, 孙振庭
    2019 (6):  1211-1216.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0070
    摘要 ( 83 )   PDF(1717KB) ( 59 )  
    电制热固体储热系统对可再生能源消纳、能源清洁化利用具有重要意义。电制热固体储热装置的关键参数设计以及经济性分析是提高经济效益的重要手段。因此,本文提出了电制热固体储热装置投资运行费用计算方法。通过对比不同供暖方式所需费用分析了电制热固体储热装置的经济性。同时研究了谷电利用系数对电制热固体储热装置经济性的影响。最后,采用案例分析验证本文所提经济性评估方法的合理性与正确性。本文的研究内容为用户对电制热固体储热装置的选择提供参考。
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    固液相变材料储能过程传热机制的数值模拟
    杨智舜, 陈丽华, 夏振华
    2019 (6):  1217-1223.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0122
    摘要 ( 79 )   PDF(4590KB) ( 82 )  
    由于相变换热储能技术可以协调能量在时间和空间尺度的分配,成为了目前研究的热点问题。本工作用焓值法分别对充填低温无机盐相变材料的二维和三维管壳式相变储能换热器模型的储/放热特性进行了模拟研究,采用Boussinesq近似研究了液相区密度变化引起的自然对流的影响。研究表明换热器的入口温度对相变换热效率影响显著;在储热过程中自然对流发挥了重要作用,换热效率与液相区的运动状态直接相关,而放热过程中的热交换主要依靠热传导完成;三维模拟的结果表明换热管出口温度与管壁的平均努赛尔数高度相关,且换热管水平放置的换热效率略低于竖直放置。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    混合硝酸盐热物性对比分析
    韩燕, 吴玉庭, 马重芳
    2019 (6):  1224-1229.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0081
    摘要 ( 79 )   PDF(1516KB) ( 72 )  
    熔融盐作为传蓄热介质已经广泛应用于太阳能光热发电中,硝酸盐以其熔点低、成本和腐蚀性小等优点成功应用于商业电站。采用差示扫描量热法、热重法、DIN法、激光闪射法、阿基米德原理和旋转法对Solar salt(60% NaNO3+40% KNO3)、Hitec(7% NaNO3+53% KNO3+40% NaNO2)、Hitec XL[7% NaNO3+45% KNO3+48% Ca(NO32]以及本课题组自主研制的四元混合硝酸盐[16.67% Ca(NO32·4H2O+44.17% KNO3+5.83% NaNO3+33.33% NaNO2]的熔点、分解温度、比热容、热导率、密度及黏度进行测量和对比研究,分析4种混合硝酸盐热物性优缺点,为工程应用提供基础性数据。结果显示,在四种混合硝酸盐中,四元盐熔点最低、分解温度最高、平均比热容和热导率均高于其他三种混合硝酸盐,Hitec XL密度最大,Solar salt黏度最低。
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    一种新型相变蓄热水箱应用于太阳能组合系统的实验研究
    刘凯, 蔡颖玲
    2019 (6):  1230-1234.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0143
    摘要 ( 33 )   PDF(2381KB) ( 34 )  
    介绍了一种新型笼屉式相变蓄热水箱,通过实验测试对比分析相变蓄热水箱与普通蓄热水箱对太阳能组合系统的太阳能保证率及系统能效比的影响。实验表明:同等水箱容积,使用相变蓄热水箱时太阳能集热系统的小时集热量为普通蓄热水箱的3.7倍,相变蓄热水箱有利于提高太阳能保证率及系统能效比。在太阳能辐照强度相似的情况下,相变蓄热水箱会使太阳能保证率平均提高72%,使系统能效比平均提高26%。同时相变蓄热水箱可减少夜间水箱上部的热损失,使水箱上部水温降减少50%。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    不同材料储能飞轮应力特性分析及研究
    苏芳, 王晨升, 赵海燕, 雷美荣
    2019 (6):  1235-1240.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0106
    摘要 ( 25 )   PDF(3402KB) ( 20 )  
    为了解储能飞轮的应力特性,进而对其结构进行设计及优化,基于Workbench考虑多因素对其进行有限元对比分析研究。对给定速度的7075铝合金飞轮应力分布、不同转速下7075铝合金飞轮应力特性和不同材料的飞轮应力变化规律分别进行有限元分析研究。结果表明:7075铝合金材料飞轮在15000 r/min转速下最大径向应力出现在内壁,向外逐渐减小,最大值为243.42 MPa,最大环向应力出现在飞轮轮缘与轮盘交汇处,最大值为122.61 MPa。随着转速增大,应力值也增大,最大应力值位置未发生变化,相同转速下,7075铝合金作为飞轮材料优于其他3种合金材料。研究结果可为储能飞轮的结构设计及优化提供参考。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    不同膨胀状态下涡旋膨胀机非定常流动特性分析
    刘祯, 吴华伟, 林鑫, 宋盼盼
    2019 (6):  1241-1246.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0119
    摘要 ( 25 )   PDF(6490KB) ( 31 )  
    本工作采用计算流体力学(CFD)的方法对适应于微型压缩空气储能(micro-CAES)系统的涡旋膨胀机工作过程进行非定常数值模拟,得到膨胀机内部压力场、速度场和温度场的分布,研究了相同排气背压下外膨胀比对涡旋膨胀机非稳态性能的影响规律及工作腔流场结构分布,结果显示:排气背压一定时,外膨胀比的变化对进气质量流量的脉动规律影响较小,外膨胀比的增加,增大了出口质量流量脉动程度、增大了膨胀机内压缩空气的热量利用程度、增大了膨胀机非稳态驱动力矩、增大了背压腔内二次流旋涡的强度和尺度,背压腔中存在明显局部高温区。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    质子交换膜燃料电池空压机建模
    裴冯来, 侯明涛, 贺继龙, 吴波, 陈凤祥
    2019 (6):  1247-1252.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0121
    摘要 ( 68 )   PDF(2491KB) ( 47 )  
    空压机的性能对燃料电池的性能有很大影响,为准确建立空压机数学模型,使用等效电路结构方法,建立关于转速、流量、压力这三个变量的非线性函数。对空压机等效电路数学模型参数和空压机性能参数数据进行拟合,并根据拟合效果依次采用基于最大流量偏差和基于出口压力加权两种方法改进拟合方法,实现对静态模型较高精度的拟合。
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    应用技术
    性能不一致的储能电池出力的自适应控制策略
    靳瑞久, 张向锋, 王致杰
    2019 (6):  1253-1259.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0094
    摘要 ( 15 )   PDF(2077KB) ( 55 )  
    为改善性能不一的储能电池对电网的调频效果,解决电池在调频过程中过充过放的问题,提出一种基于双层模糊器的自适应控制策略。使性能不一致的储能电池出力在满足电网调频要求的情况下,也更好地维持电池荷电状态(SOC),避免过充过放进而延长循环寿命,提高储能电池经济性,通过将仿真算例结果和传统方法对比,验证了所提控制策略的优越性,尤其对于性能较差的储能电池SOC状态维持效果优于传统方法。
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    储能标准与规范
    锂离子电池材料的电子显微学分析方法
    拱越, 谷林
    2019 (6):  1260-1270.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0144
    摘要 ( 121 )   PDF(10228KB) ( 250 )  
    理解材料的构-效关系是功能材料领域的永恒话题,在锂离子电池材料的研究中亦是如此。因此可以看到如X射线衍射、中子衍射、核磁共振、X射线电子能谱等结构表征手段被应用于锂离子电池材料的研究中。但是因上述方法对于微观局域结构并不敏感,而给出平均的结构信息。材料的性能往往随微观结构的不同而天差地别,因此获取锂离子电池材料的微观结构信息十分重要。透射电子显微镜具有原子尺度的空间分辨能力,可以获取原子尺度上的结构扭曲和电子结构变化,在锂离子电池材料的研究中起到了至关重要的作用。本文从电子显微学和锂离子电池材料的关系入手,从基本原理和实验方法出发,为相关领域科研人员提供便利。
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    锂电池百篇论文点评(2019.08.01-2019.09.30)
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    2019 (6):  1271-1284.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0233
    摘要 ( 144 )   PDF(1069KB) ( 525 )  
    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2019年8月1日至2019年9月30日上线的锂电池研究论文,共有3077篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池分析技术的研究论文。
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