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    2016年, 第5卷, 第3期 刊出日期:2016-05-01 上一期    下一期
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    特约文章
    “钠电池储能技术专刊”特约主编寄语
    温兆银
    2016 (3):  248-248. 
    摘要 ( 258 )   PDF(2505KB) ( 611 )  
     
         为了及时反映钠电池的最新科研成果和研发趋势,推动钠电池技术的快速发展,促进其在储能方面的应用,应《储能科学与技术》之邀,本人负责组织了本期“钠电池储能技术”专刊,专刊邀请了多家国内外著名的钠电池研究与开发方面的专家撰稿,他们中既有来自企业的技术专家,也有来自高校和科研机构的学者,为我们提供了大量的最新成果和信息。
    相关文章 | 计量指标
    特约评述
    钠-空气电池研究评述
    张三佩,温兆银
    2016 (3):  249-257.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.001
    摘要 ( 838 )   PDF(9607KB) ( 493 )  
    由于成本廉价、储存丰富的钠资源及其电池的高能量密度,二次钠-空气电池的研究引起了人们广泛的关注。不同于其它金属-空气电池的电化学机理的发现给钠-空气电池的发展带来了独特的优势以及挑战。本文全面地论述了目前钠-空气电池的研究现状,对基于不同放电产物的电化学机理发展现状和存在的问题进行总结,并提出可能的解决办法,最后对钠-空气电池研究的关键问题进行了总结,并展望了其未来研究方向。
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    碳基负极材料储钠反应的研究进展
    邱 珅,吴先勇,卢海燕,艾新平,杨汉西,曹余良
    2016 (3):  258-267.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.002
    摘要 ( 453 )   PDF(13213KB) ( 1077 )  

    钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好等优势,被认为是最有可能取代锂离子电池成为大规模储能应用的理想电源之一。钠离子电池的性能主要决定于储钠正负极材料,而储钠负极材料是其中一个重要的组成部分。在目前所研究的储钠负极材料中,碳基负极不仅具有较低的嵌钠平台、较高的容量及好的循环稳定性,还具有资源丰富、制备简单等优点,是目前最具应用前景的储钠负极材料。本文综述了石墨、石墨烯、软碳和硬碳等几种碳材料的储钠行为及研究进展,探讨了碳材料储钠性能与微观结构的内在联系,进而阐明了硬碳材料作为最为理想的储钠碳负极材料的应用优势。本文还探讨了目前颇具争议的两种硬碳储钠机理—“嵌入-吸附”和“吸附-嵌入”,并对硬碳材料的发展前景作出了展望。

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    室温钠离子储能电池电极材料研究进展
    王跃生,容晓晖,徐淑银,胡勇胜,李 泓,陈立泉
    2016 (3):  268-284.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.003
    摘要 ( 410 )   PDF(22981KB) ( 800 )  
    随着风能、太阳能等可再生能源的不断发展,储能作为影响其发展的关键技术越来越受到人们的关注。在储能领域,锂离子电池以高能量密度、长循环寿命、高电压等诸多优点在电子领域已得到广泛的应用,并成为未来电动汽车动力电池的最佳选择。但因锂资源储量有限、分布不均匀,而且原材料成本比较高,所以锂离子电池在电网大规模储能方面的应用遇到了瓶颈。与锂相比,钠不但具有与锂相似的物理化学性质,更具有资源丰富、分布广泛、原料成本低廉等优势。近些年室温钠离子电池再次引起了人们的研究兴趣,特别是在电网储能方面表现出极大的应用潜力。虽然目前已报道了多种钠离子电池电极材料,但大都离实用化以及进一步产业化尚有一定的距离。本文重点介绍一些性能较为突出的室温钠离子电池电极材料,并指出要实现钠离子电池的产业化,需要开发空气中稳定、高安全、高容量、高倍率、循环稳定、低成本的新型正、负极材料。
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    钠离子电池的电解质
    朱 娜,吴 锋,吴 川,白 莹,李翌通
    2016 (3):  285-291.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.004
    摘要 ( 502 )   PDF(7448KB) ( 742 )  
    作为一种新型的储能电池体系,钠离子电池具有资源丰富、成本低、比容量较高等优点,近年来引起了全世界范围内的广泛关注。电解质是制备高性能,长循环寿命,安全性良好的钠离子电池的关键材料之一。本文简要介绍有机电解质、水系电解质、离子液体电解质、固体聚合物电解质、无机固态复合电解质和凝胶态聚合物电解质等体系在钠离子电池中的研究进展,讨论这些电解质体系的电导率、电化学窗口、热稳定性等特点。目前应用在钠离子电池中较为成熟的是有机电解质,展现了良好的综合性能,但安全性仍有待改善。而安全性能较好的离子液体电解质、固体电解质及凝胶态电解质还有许多基础科学需要探索,并且需要考虑成本、电导率、机械强度等诸多因素。基于上述评述,展望了钠离子电池电解质的未来发展。
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    钠离子电池钛基负极材料研究进展
    刘 黎1,2,王先友1,曹国忠2
    2016 (3):  292-302.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.005
    摘要 ( 335 )   PDF(12555KB) ( 549 )  
    钛基材料具有环境友好、安全性好、稳定性好等优点而备受关注。但是钛基材料带隙宽,电子导电性差,比容量低限制了其在钠离子电池领域的发展与应用。本文主要综述了TiO2、Na2TinO2n+1、NaTi2(PO4)3三类钛基材料的结构、电化学性能、改性方法和相关储钠机理。评述了钛基材料存在的问题并展望了其发展前景。今后的研究可以从以下几方面开展:① 深入研究钛基负极材料储钠机理;② 研究多种阳、阴离子掺杂对钛基材料的电子结构的影响,从根本上提高钛基材料的电子导电性;③ 与高比容量负极材料复合,获得兼具稳定性与高比容量优点的复合材料;④ 设计合成具有多级、三维结构的钛基复合负极材料,进一步提高材料的循环稳定性、倍率性能;⑤ 开发新型结构的钛基负极材料。
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    普鲁士蓝类钠离子电池正极材料研究进展
    杨 旸1,严小敏1,杨德志1,王 红1,2,廖小珍1,2,马紫峰1,2
    2016 (3):  303-308.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.006
    摘要 ( 553 )   PDF(5873KB) ( 1085 )  
    近年来,随着储能技术的快速发展,钠离子电池因为资源丰富、环境友好、成本低廉,成为电化学储能技术研究热点;而其正极材料是制约钠离子电池应用的关键因素之一。普鲁士蓝类正极材料具有开框架结构,有利于钠离子的快速迁移,这种结构使其具有良好的电化学性能。本文简要介绍了普鲁士蓝类化合物及其复合材料在水体系和有机体系钠离子电池中的研究情况。普鲁士蓝类正极材料由于制备工艺简单,结构稳定,是极有潜力的钠离子储能材料。
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    Development of Na-beta alumina batteries at Pacific Northwest National Laboratory:From tubular to planar
    LU Xiaochuan, LI Guosheng, MEINHARDT Kerry D, SPRENKLE Vincent L
    2016 (3):  309-316.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.007
    摘要 ( 684 )   PDF(9002KB) ( 321 )  
    Na-beta alumina batteries are one of the most promising technologies for renewable energy storage and grid applications. Na-beta alumina batteries can be constructed in either tubular or planar designs, depending on the shape of the beta-alumina solid electrolyte. The tubular designs have been widely studied and developed since the 1960s primarily because of their ease of sealing. However, planar designs are considered superior to tubular designs in terms of power output, cell packing, ease of assembly, thermal management, and other characteristics. Recently, Pacific Northwest National Laboratory has begun to develop high-performance planar Na-beta alumina batteries. In this paper, we provide an overview on the basic battery electrochemistry, solid electrolyte synthesis and fabrication, and our recent progress in developing planar batteries. Future trends for further technology improvement will also be presented.
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    水系钠离子电池的现状及展望
    曹 翊1,王永刚2,王 青1,张兆勇1,车 勇1,夏永姚2,戴 翔1
    2016 (3):  317-324.  doi: doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.008
    摘要 ( 435 )   PDF(6115KB) ( 986 )  
    水系钠离子电池具有高安全、无污染、低成本和长寿命等特点,能够满足大规模储能系统的要求,作为可再生能源(光能和风能等)开发利用和智能电网构建的关键技术之一,对其的研究与产业化越来越受到关注。本文对水系钠离子电池的发展历程、原理、材料体系与产业化现状等方面进行综述,同时也简略地介绍国内外的示范和应用实例,并指出未来关键技术与产业化发展的方向。水系钠离子电池经过近年来的快速发展,已经开发出一系列具备高比容量和高循环稳定性的正负极电极材料;通过对电池体系的设计与优化,在提高能量密度和降低制造成本上也取得了成果,其产业化已经初具规模。虽然该电池技术的研发和产业化时间还很短,还面临诸多挑战,但已经在实际应用中取得了良好的结果,表现出强大的应用潜力。
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    研究开发
    新型O3-NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2钠离子电池正极材料研究
    穆林沁,戚兴国,胡勇胜,李 泓,陈立泉,黄学杰
    2016 (3):  324-328.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.009
    摘要 ( 358 )   PDF(3929KB) ( 528 )  
    由于钠具有资源丰富和成本低廉的优势,钠离子电池再次受到科学界和工业界的广泛关注。发展低成本、性能优异的正极材料对于钠离子电池至关重要。本文通过向O3-Na0.90[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2材料中引入容易变价的Ni2+得到一种不含Mn3+的钠离子电池新型正极材料O3-NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2,该材料具有127 mA•h/g可逆比容量和3.1 V平均放电电压。由该正极与硬碳球负极组装成全电池具有248 W•h/kg的理论能量密度,高达93%的能量转化效率和优异的循环性能。
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    Development of sodium sulfur battery (NAS® battery) and application
    TAMAKOSH Tomio
    2016 (3):  329-334.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.010
    摘要 ( 333 )   PDF(7587KB) ( 350 )  
    NGK has developed a sodium sulfur battery (NAS® battery) for load leveling applications, allowing the grid to deal with increasing peak. The recent growth in environmentally friendly renewable energies causes network instability. A secondary battery based energy storage system is seen as one of the strongest solutions to stabilize the network while improving the efficiency and usability of these renewable energy technologies. The NAS battery features long duration discharge, compactness, and a long lifespan of 15 years. The capacity for long duration discharge is one of the most notable features of this technology, a feature which becomes more important as renewable energy generation increases. In this paper, recent design of the NAS® battery system is detailed, and a few applications are described.
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    不同分子量前驱物热解硬碳负极材料的储钠性能
    邱 珅,吴先勇,卢海燕,艾新平,杨汉西,曹余良
    2016 (3):  335-340.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.011
    摘要 ( 449 )   PDF(5942KB) ( 900 )  
    硬碳已成为最具实用化钠离子电池负极材料的研究热点,然而其热解前驱物结构对储钠性能的影响仍鲜有报道。本文选择了具有相同结构单元、不同分子量的3种糖类前驱物(葡萄糖、蔗糖和淀粉)作为结构模型,系统考察了前驱物分子量对硬碳材料微观结构和储钠性能的影响。X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)实验表明,硬碳材料的石墨化程度随着分子量的增大而增加;恒电流充放电测试表明,葡萄糖、蔗糖和淀粉热解硬碳的可逆储钠容量也随分子量的增大呈现出逐渐增加的趋势,其容量分别为242、275和310mA·h/g。本工作的初步结果说明,大分子量的前驱物更容易热解形成较为规整的类石墨片层结构,从而提供了更多的嵌钠反应位点,这为选择合适的硬碳前驱体去发展高性能储钠碳负极材料提供了借鉴参考。
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    具有(113)优势晶面的钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)/C
    倪 乔,吴 川,白 莹,刘元昌,陈光海,吴 锋
    2016 (3):  341-348.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.012
    摘要 ( 306 )   PDF(8417KB) ( 256 )  

    通过简单的溶胶-凝胶辅助静电纺丝法得到(113)晶面优势导向的Na3V2(PO4)3/C 钠离子电池正极材料,并通过对比最佳纺丝条件下分别用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚氧化乙烯(PEO)作为晶面导向剂制备的两种Na3V2(PO4)3电极材料的电化学性能,证明静电纺丝有利于实现Na3V2(PO4)3(113)晶面择优取向。在相同的电流密度(0.1 C)下,NVP-PVP和NVP-PEO的首周放电比容量分别为112.5 mA·h/g 和96.3 mA·h/g,电池循环50周后,NVP-PVP 仍然有98.1 mA·h/g 的可逆容量保持,NVP-PEO 仅仅只剩下 34 mA·h/g的可逆容量保持,而即使循环100周后,NVP-PVP 的可逆容量仍然在88.2 mA·h/g。结果表明,PVP静电纺丝有利于构建特定的纳米纤维结构和均一的导电碳网络骨架,进而提升主体材料Na3V2(PO4)3的电化学性能。

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    单质硫对钠-氯化镍电池循环性能影响的机理分析
    敖 昕,吴相伟,胡瑛瑛,温兆银
    2016 (3):  349-354.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.013
    摘要 ( 325 )   PDF(6217KB) ( 425 )  
    制备了含有不同单质硫添加剂的钠-氯化镍电池,对其进行电化学性能测试,结果表明,在正极中添加单质硫能有效提高电池的循环性能,NaAlCl4中含5%(质量分数)单质硫的电池具有最佳的循环性能。微结构和相组成分析发现,单质硫在电池的工作温度下可与金属Ni反应并在其表面生成Ni3S2修饰层。该修饰层能阻止邻近的金属镍在循环过程中的团聚从而抑制金属Ni的长大,进而提高电池循环性能。循环后期容量衰减的主要原因是正极中NaCl颗粒的长大。
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    热点点评
    锂电池百篇论文点评(2016.2.1—2016.3.31)
    陈宇阳,胡 飞,詹元杰,武怿达,赵俊年,陈 彬,王 昊,闫 勇,俞海龙,贲留斌,刘燕燕,黄学杰
    2016 (3):  355-366.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.014
    摘要 ( 548 )   PDF(12610KB) ( 884 )  
    该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2016年2月1日至2016年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2241篇,选择其中89篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。高容量的硅基复合负极材料研究侧重于SEI界面层、复合材料、黏结剂及反应机理,电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。理论模拟工作侧重于正极材料掺杂、SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池界面、电极结构和性能分析的研究论文。
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    超级电容器百篇论文点评(2015.11.1—2016.2.2)
    郑 超,周 洲,李林艳,陈雪丹,刘秋香,陈 宽,黄 益,乔志军,傅冠生,阮殿波
    2016 (3):  367-383.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.015
    摘要 ( 557 )   PDF(17964KB) ( 1621 )  

    该文是一篇近四个月的超级电容器文献评述,我们以“supercapacitor”为关键词检索了Web of Science从2015年11月1日至2016年2月29日上线的超级电容器研究论文,共有830篇,选取了其中100篇加以评论。双电层超级电容器主要研究了新型多孔碳材料、石墨烯等材料可控制备对其性能的影响。赝电容超级电容器的研究主要集中在金属氧化物复合材料、导电聚合物复合材料、杂质原子掺杂碳材料和新型赝电容材料等4个方面。混合型超级电容器包括水系混合型超级电容器和有机系混合型超级电容器两个方面的研究。

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    研究快报
    锂离子电池高容量富锂锰基正极材料研究进展
    夏永高,刘兆平
    2016 (3):  384-387.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.016
    摘要 ( 588 )   PDF(4256KB) ( 1074 )  
    富锂锰基正极材料因具有高的放电比容量,有望成为下一代400 W·h/kg动力电池最有前景的正极材料。本文简要介绍了本研究团队在富锂锰基正极材料方面的研究进展。通过团队多年研发,材料的首次不可逆容量、倍率性能、循环稳定性得到明显的改善,而且,电压衰减被有效的抑制。同时,研制出基于富锂锰基正极材料和纳米硅碳负极材料的新型24A·h高容量锂离子电池,其质量能量密度达到374 W·h/kg,体积能量密度达到  577 W·h/L。
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    储能专利
    锂离子电池富锂锰基正极材料专利技术分析
    王国华,夏永高,刘兆平
    2016 (3):  388-395.  doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.017
    摘要 ( 410 )   PDF(9679KB) ( 426 )  

    用德温特(DII)专利数据库和宁波市知识产权服务平台专利数据库,通过对富锂锰基正极材料技术领域的专利进行分析,揭示该技术领域当前的专利活动特点,为我国在该领域的科技创新和产业化提供参考。本文从全球富锂锰基正极材料技术研发背景的调研入手,从国际专利申请数量年度分布、专利技术生命周期、技术研发布局、主要竞争国家/地区、主要专利申请人等方面,分析了全球富锂锰基正极材料技术的整体专利态势;在此基础上,对世界范围内的重要申请人以及在华重要申请人的专利布局和技术路线进行了重点深入分析。基于上述分析结果,最后就我国未来的富锂锰基正极材料的技术研发和专利申请与保护工作提出了一些建议。 

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