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    2020年, 第9卷, 第5期 刊出日期:2020-09-05 上一期    下一期
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    摘要 ( 48 )   PDF(1920KB) ( 60 )  
    相关文章 | 计量指标
    钠离子电池技术专刊
    钠离子电池标准制定的必要性
    周权, 戚兴国, 陆雅翔, 容晓晖, 汤菲, 孔维和, 唐堃, 陈立泉, 胡勇胜
    2020 (5):  1225-1233.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0085
    摘要 ( 377 )   HTML ( 86 )   PDF(2956KB) ( 483 )  

    钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、能量转换效率高、循环寿命长、维护费用低、安全性好等诸多独特的优势,能够满足新能源电池领域高性价比和高安全性等应用的要求。然而钠离子电池作为一种全新的化学电源体系,在当前产业化和推向市场之际,国内外无任何可供使用的产品标准或规范,这将会严重制约钠离子电池技术和产业的发展,迫切需要制定相关的国家和行业标准,实现钠离子电池产品的检验规范化和质量标准化,规范市场秩序和推动技术进步。本文首先介绍了全球范围内锂资源和钠资源的形势;其次,对钠离子电池所具有的特性和优势、国内外的技术及产业化发展现状、存在的问题和未来的发展趋势进行了详细说明,并分析了目前全球范围内钠离子电池标准的现状及可供其参考的其他电池体系已有的标准或规范,指出了钠离子电池标准制定的必要性。最后概括了锂离子电池标准化工作的发展历程及借鉴意义,提出了在制定钠离子电池的标准时可结合其产品特点并借鉴锂离子电池标准化建设工作的具体建议。

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    非水系钠离子电池的电解质研究进展
    马梦莹, 潘慧霖, 胡勇胜
    2020 (5):  1234-1250.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0192
    摘要 ( 253 )   HTML ( 53 )   PDF(11460KB) ( 188 )  

    钠离子电池具有钠资源丰富、成本低等优势,是一种很有前景的储能电池体系。目前,国内外研究者们已开发出多种可行的钠离子电池正负极材料。钠离子电池电解质作为正负极材料参与氧化还原反应的媒介,其氧化还原窗口、钠离子的迁移和扩散、钠离子的溶剂化结构、钠离子与阴离子或溶剂之间的耦合关联作用等性质,是决定电极材料界面性质的关键因素。因而,钠离子电池电解质对钠离子电池体系的热力学和动力学性质具有重要的影响,如电极材料的结构稳定性、固态电解质膜(SEI)的组成和结构、电池的倍率性能、循环稳定性和热稳定性等。本文总结了有关非水系钠离子电池电解质的研究进展,包括液体电解液和固态电解质等,讨论了不同类型电解质的物理化学性质及其在钠离子电池中的应用。当前,钠离子电池液态和固态电解质仍存在电导率低、电化学窗口窄、SEI膜稳定性较差等问题。开发新型、低成本、高性能的钠离子电池电解质对钠离子电池的商业化应用至关重要。

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    钠离子无机固体电解质研究进展
    孙歌, 魏芷宣, 张馨元, 陈楠, 陈岗, 杜菲
    2020 (5):  1251-1265.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0102
    摘要 ( 389 )   HTML ( 40 )   PDF(5855KB) ( 453 )  

    钠离子电池因储量丰富、成本低廉而成为可替代锂离子电池的储能设备之一,尤其是在大规模储能领域展现出了广阔的应用前景。然而,类似锂离子电池,以可燃的液态电解质作为离子传输媒介的钠离子电池也不可避免地面临着安全性的挑战。固态电解质的使用不仅可以大幅提升电池系统的安全性,与金属负极匹配更能进一步实现电池能量密度同步提升。在各类固态电解质中,无机固态电解质以高离子电导率和离子迁移数、高力学性能及稳定性等诸多优势而备受瞩目。尽管如此,在全固态钠电池的实际应用中,不同类型的无机固态电解质材料仍面临离子电导率低、化学与电化学稳定性差等不同困境。因此,无机固态电解质材料的研究和开发是实现固态钠电池应用的必经之路。本文介绍了离子在固体中的迁移机制,并综述了氧化物、硫化物以及络合氢化物钠离子固态电解质的研究进展,重点强调不同结构电解质离子电导率的提升策略和提高化学及电化学稳定性的方法,包括通过离子掺杂提升离子电导率,调控晶界处化学组分或利用低熔点添加剂降低钠的快离子导体(natrium super ionic conductor,NASICON)型电解质的晶界电阻,解决硫化物型电解质的空气敏感问题,开发新型硫化物超离子导体,降低络合氢化物的有序-无序相变温度同时提高室温离子电导率等。最后对固态电解质面临的关键挑战和未来发展趋势进行总结和展望。

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    钠离子硫化物固态电解质研究进展
    贾曼曼, 张隆
    2020 (5):  1266-1283.  doi: 10.19799/cnki.2095-4239.2020.0108
    摘要 ( 297 )   HTML ( 23 )   PDF(5580KB) ( 346 )  

    全固态钠离子电池由正极、固态电解质和负极三部分组成,固态电解质作为导通离子隔绝电子的核心部件,既需要高的离子电导率,又要求良好的电解质-电极的固固接触和界面稳定性以维持有效的离子传输。硫化物电解质因具有众多优势而备受关注。近年来,在提高其离子电导率方面已取得较大进展,在对其化学稳定性、与电极材料的界面稳定性等方面研究还在不断深入。本文通过对近期相关文献的梳理,讨论了目前钠离子硫化物无机固态电解质的发展概况,分别对硫化物电解质的制备工艺、结构以及电导率做了系统评述,着重介绍了机械化学合成、固相烧结以及化学液相合成的方法,系统分析了基于Na3PS4和Na3SbS4的三元硫化物及基于Na11Sn2PS12和Na11Sn2SbS12的四元硫化物的成分设计策略,重点总结了阴离子和阳离子掺杂所导致的钠离子空位/间隙、离子结合能、晶格软化、钠离子分布、结构对称性等变化对优化离子输运的作用机制。同时,总结了基于硫化物电解质的全固态钠电池界面特性的研究进展,主要分析了正极-电解质固固接触的改善策略和金属负极-电解质界面失效机理和稳定性提升措施,表明解决界面问题的紧迫性。最后,展望了钠离子硫化物电解质下一步可能的发展方向。

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    NASICON结构钠离子固体电解质及固态钠电池应用研究进展
    杨菁, 刘高瞻, 沈麟, 姚霞银
    2020 (5):  1284-1299.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0119
    摘要 ( 375 )   HTML ( 34 )   PDF(5723KB) ( 391 )  

    钠离子电池由于原料成本低廉、来源广泛,被视作锂离子电池最具竞争力的替代体系之一。然而,传统钠离子电池中使用易燃的有机电解液存在漏液、燃烧乃至爆炸的安全隐患。NASICON结构固体电解质材料具有安全性能高、稳定性良好、成本低廉、环境友好等优点,可代替有机电解液与隔膜从而实现固态钠电池,是能源存储领域的研究热点。然而其电导率仍需进一步提升、与电极间界面阻抗大的问题,限制了其进一步应用。针对目前NASICON结构固体电解质存在的问题,本文首先介绍了其晶体结构和钠离子传输机理,分析了影响晶粒电导率和晶界电导率的主要因素,分别总结了提高晶粒电导率和晶界电导率的改性方法,指出合适离子取代、提高物相纯度和致密度是电导率提高的有效途径。此外,本文阐述了NASICON结构固体电解质材料在固态钠电池应用中存在的界面问题,总结分析了现有界面改性的策略,指出对新型修饰材料和复合材料的探索有望进一步改善固体电解质与电极的界面特性。最后,对NASICON结构固体电解质材料的研究进行了展望。

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    钠离子电池聚合物电解质研究进展
    高舒, 周敏, 韩静, 过聪, 谭媛, 蒋凯, 王康丽
    2020 (5):  1300-1308.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0120
    摘要 ( 338 )   HTML ( 20 )   PDF(1135KB) ( 529 )  

    近年来钠离子电池的能量、功率密度与循环寿命均得到了长足发展,然而常规电解液/隔膜体系由于易燃、易挥发,导致钠离子电池存在严峻安全隐患。为了提高钠离子电池的安全性,近年来固态电解质得到了广泛的关注,尤其以聚合物为基底的固态、凝胶电解质得到了快速发展。本文首先梳理了聚合物电解质基础的发展脉络与研究常用的理论模型,接着综述了固态与凝胶两类聚合物电解质在钠离子电池中的应用研究进展,对涉及的不同材料改性技术、聚合物电解质制备工艺、新型材料设计进行了评价。综合分析表明,聚合物固态电解质采用低聚物、无机纳米颗粒掺杂、功能分子设计等方法,逐步实现了固态电池的适用温度由90 ℃向室温、低温的成功转变;凝胶电解质室温电导率较高,有机小分子与聚合物基底之间通过分子间力作用增强钠盐溶剂化作用,成功地与不同正、负极材料搭配,普遍实现了室温凝胶钠离子电池,同时回顾了水凝胶在构建水系钠离子电池中的优势与现阶段的研究不足。最后提出聚合物电解质在钠离子电池中应用的研究报道中需要注意的问题,并且展望了未来材料设计、表征技术的可能发展方向。

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    钠离子电池电解质安全性:改善策略与研究进展
    高永晟, 陈光海, 王欣然, 白莹, 吴川
    2020 (5):  1309-1317.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0230
    摘要 ( 228 )   HTML ( 18 )   PDF(2049KB) ( 278 )  

    钠离子电池因为资源的优势以及在大规模储能系统中潜在的应用价值而被研究者们广泛关注。电解质是电池的核心部件之一,起着传导离子、分隔正负极的作用。目前常用到的有机电解质存在着易燃、易泄漏的安全性风险,在钠离子电池的进一步发展与应用中需要克服。本文通过对近期相关文献的总结,综述了提高钠离子电池电解质安全性的开发策略以及研究进展:一方面可以在有机电解质的基础上进行改进与优化,如使用成膜添加剂、阻燃添加剂或者使用高浓度盐电解质;另一方面可以开发新型电解质体系,如水系、离子液体、全固态、离子凝胶等。新型高安全性电解质是目前钠离子电池领域内的研究热点,本文也对几种新型电解质各自的优缺点以及面临的主要挑战进行了详细的分析与讨论,并重点介绍了离子凝胶电解质在钠离子电池中的应用前景。最后,对钠离子电池电解质的发展趋势进行了展望。

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    钠离子电池金属氧//硒化物负极材料研究进展
    位广玲, 江颖, 周佳辉, 王紫恒, 黄永鑫, 谢嫚, 吴锋
    2020 (5):  1318-1326.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0095
    摘要 ( 260 )   HTML ( 33 )   PDF(2142KB) ( 397 )  

    钠离子电池(SIBs)具有成本低廉、环境友好等优点,在下一代低速电动汽车电源和大规模储能系统中拥有巨大的应用前景。开发性能优异、价格低廉的电极材料是促进钠离子电池早日实现商业化应用的关键,目前亟待探索和开发合适的高性能SIBs负极材料。由VI A主族中的氧/硫/硒组成的化合物作为SIBs负极材料具有成本相对较低、环境友好、理论容量和安全性较高的优点,受到研究者的广泛关注。由于氧/硫/硒化物负极材料的电子电导率不能满足电池大倍率充放电的需求,在电化学循环过程中伴随着巨大的体积膨胀,造成电极材料的粉碎与坍塌,该类材料在SIBs中的应用还存在很大挑战。通过对近期文献的调研,本文主要综述了氧/硫/硒化物负极材料的储钠机理和电化学性能,深入探讨此类材料用作SIBs负极的优势和挑战。针对金属氧/硫/硒化物材料存在的导电性能差、循环过程中颗粒团聚以及缓慢离子扩散动力学等问题,总结了与导电碳复合、结构调控、改善电解液等改性方法,最后对氧/硫/硒化物负极材料的发展前景进行了展望。

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    钠离子电池层状氧化物正极:层间滑移,相变与性能
    刘欢庆, 高旭, 陈军, 尹首懿, 邹康宇, 徐来强, 邹国强, 侯红帅, 纪效波
    2020 (5):  1327-1339.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0123
    摘要 ( 279 )   HTML ( 35 )   PDF(8592KB) ( 268 )  

    由于钠资源丰富,钠离子电池(SIB)作为二次离子电池已经受到越来越多地关注,特别是对于大规模储能而言。但是,由于缺乏合适的宿主材料可逆地脱/嵌Na离子,其发展受到了极大限制。层状过渡金属氧化物(NaxMO2,M=Fe、Mn、Ni、Co、Cr及其组合)是一类重要的SIB正极材料。由于其理论容量高、结构简单等优势,因而具有良好的发展前景。与锂的层状过渡金属氧化物不同,钠层状过渡金属氧化物易发生层间滑移以及相变。本文总结了NaxMO2正极材料的结构演变、电化学性能的最新进展。旨在阐明结构演变与电池性能(循环性能、倍率性能和能量效率)的关联。此外,本文还提出了几种策略来缓解这种问题。

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    钠离子电池层状正极材料研究进展
    朱晓辉, 庄宇航, 赵旸, 倪明珠, 徐璟, 夏晖
    2020 (5):  1340-1349.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0130
    摘要 ( 276 )   HTML ( 49 )   PDF(9695KB) ( 291 )  

    由于地球钠元素资源丰富、来源广泛,钠离子电池被认为是将来能够替代锂离子电池用于大规模储能的新型二次电池技术之一。正极材料作为钠离子电池的重要组成部分,决定了钠离子电池电化学性能的优劣。然而由于钠离子半径较大,开发结构稳定且具有快速钠离子扩散性能的正极材料是获得高性能钠离子电池的挑战之一。近年来,越来越多的层状正极材料体系被开发出来,并展现出良好的电化学性能,对于钠离子电池具有较好的应用前景。本文综述了目前常见的层状钠离子电池正极材料,重点分析和探讨了层状钠离子电池正极材料的储钠机制,并展望了未来钠离子电池正极材料的发展趋势及应用前景。

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    钠离子电池钒基聚阴离子型正极材料的发展现状与应用挑战
    易红明, 吕志强, 张华民, 宋明明, 郑 琼, 李先锋
    2020 (5):  1350-1369.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0179
    摘要 ( 232 )   HTML ( 19 )   PDF(16710KB) ( 414 )  

    钠离子电池以其资源丰富、性价比高等优势有望在电动自行车、低速电动车、固定式储能领域获得广泛应用。在众多正极材料中,钒基聚阴离子型化合物因具有能量密度高、功率密度高、稳定性好等优点成为研究热点之一。但是其本征电子电导率较低,同时由于制备方法不当等带来的体相电子和离子传递阻力较大等缺陷,限制了材料的实际比容量、倍率性能及稳定性等。本文从几种典型的钒基聚阴离子型化合物的晶胞结构和储钠特性分析入手,从微观材料本体和介观电极结构的角度讨论钒基聚阴离子型化合物中电荷传递过程、动力学提升策略并总结近期进展;结合钒基聚阴离子型化合物的实用化需求,凝练出推进钒基聚阴离子型化合物进一步发展的重要研究方向。

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    基于无机钠离子导体的固态钠电池研究进展
    彭林峰, 贾欢欢, 丁庆, 赵宇明, 谢佳, 程时杰
    2020 (5):  1370-1382.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0180
    摘要 ( 356 )   HTML ( 22 )   PDF(6530KB) ( 393 )  

    锂离子电池的迅速发展导致锂价格上涨,另外,锂资源地壳储量低且分布不均,引起了人们对锂离子电池替代品的研究。钠资源丰富且与锂有相似的化学性质,使得钠离子电池受到广泛关注。基于不可燃无机固态电解质的固态钠电池,兼具高安全和低成本的优势,成为规模化储能领域非常有前景的储能器件。经过不懈努力,适用于固态钠电池的电解质已经被陆续开发,包括常见的β-Al2O3、NASICON型、硫化物型固态电解质以及新型富钠反钙钛矿和复合氢化物等。这些钠离子固态电解质经过合成条件优化、元素取代或置换、结构调控等手段,室温离子电导率可达10-3 S/cm以上,已经完全可满足实用需求。但是,固态钠电池的实际应用依然受到较大挑战,主要是固态电池中电解质与正负极材料间的化学、电化学相容性差,以及固-固界面接触问题。本文通过梳理近些年与固态钠电池相关的研究,总结了不同类型固态电解质应用到固态钠电池过程中遇到的机遇和挑战,以及相应解决策略,同时讨论了固态钠电池未来可能的发展方向和趋势。总的来说,主要通过引入离子液体或聚合物、多孔结构设计、电解质包覆,以及复合正极设计等方式,提升固态钠电池电化学稳定性。

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    过渡金属氧化物微纳阵列在钠离子电池中的研究进展
    周思宇, 唐正, 范景瑞, 唐有根, 孙旦, 王海燕
    2020 (5):  1383-1395.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0220
    摘要 ( 171 )   HTML ( 13 )   PDF(6987KB) ( 89 )  

    钠离子电池因钠资源丰富、成本相对低廉等特点有望在规模储能领域应用。在钠离子电池电极材料中,过渡金属氧化物主要基于转化反应储钠,理论容量高,应用前景好。但传统过渡金属氧化物电极存在体积膨胀大、循环寿命短、电压滞后、倍率性能差、首次库仑效率低等缺点。为了克服上述问题,通常将活性物质设计成具有三维结构的自支撑阵列电极。三维阵列电极具有开放空间大、比表面积合适、导电性良好、活性物质与集流体接触紧密等优势,可以显著改善过渡金属氧化物的储钠性能。本文系统综述了近年来过渡金属氧化物微纳阵列在钠离子电池材料领域的研究进展,并对其进行了展望。

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    钠离子电池层状氧化物正极材料的表面修饰研究
    戚兴国, 王伟刚, 胡勇胜, 张 强
    2020 (5):  1396-1401.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0221
    摘要 ( 263 )   HTML ( 23 )   PDF(3232KB) ( 282 )  

    钠离子电池作为锂离子电池的有益补充,近几年获得了广泛研究。层状氧化物是其中最具发展潜力的正极材料,已经在100 kW·h级钠离子电池储能电站中获得演示验证,但目前仍存在碱性较高、循环不佳的弊端。得益于三元正极梯度分布材料的设计思路,通过液相包覆的方法在正极材料进行富锰壳层包覆降低材料表面残碱提升材料加工性能以及提升材料的电化学性能。借助扫描电子显微技术(SEM)、电化学技术等表征测试手段,综合评测不同包覆含量的正极材料,筛选得到最优比例为1%。X射线衍射(XRD)结果表明包覆前后的材料都属于O3相结构,空间群为R-3m。室温下的电化学性能测试表明1%Mn包覆样品在2.5~4 V下的有一定程度的提升:倍率性能上,1 C倍率保持率从85.4%提升至90.4%,100周循环保持率从81.5%提升至90.5%。通过残碱测试结果计算的pH值从11.74降至11.33,证明表面残碱会得到有效控制。本文综合研究了富锰壳层结构正极材料,验证了表面富锰壳层设计有利于降低残碱并提升电化学性能,为进一步设计表面改性的正极材料提供了新思路。

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    以废旧锰酸锂正极为原料制备Li0.25Na0.6MnO2钠离子电池正极材料的研究
    聂雪娇, 郭晋芝, 王美怡, 谷振一, 赵欣欣, 杨旭, 梁皓杰, 吴兴隆
    2020 (5):  1402-1409.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0080
    摘要 ( 176 )   HTML ( 26 )   PDF(1045KB) ( 328 )  

    随着锂离子电池(lithium-ion batteries,LIBs)在众多储能领域更大规模的广泛应用,废旧LIBs正在大量地产生,若不进行任何处理而随意丢弃,必将给人类赖以生存的生活环境造成极大的危害,而且也是一种资源浪费。本课题组对废旧LIBs中的锰酸锂正极进行回收和收集,并以此为主要原料,通过球磨和高温烧结相结合的过程,成功合成了钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs)正极材料Li0.25Na0.6MnO2(LNMO),并对其的电化学性能、动力学特性和离子脱嵌导致的相变过程进行了研究。结果显示,LNMO表现出较高的比容量(131.5 mA·h/g)以及优异的倍率性能(容量保持率97.9%),该电极的表观离子扩散系数为10-12 cm2/s数量级,表现出快的离子脱嵌能力和动力学过程,是它表现出优异倍率性能的主要原因之一。对废旧锰酸锂材料回收并应用于下一代低成本SIBs中,具有同时实现“废旧LIBs有效回收”和“解决SIBs原料来源”的重要意义。

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    钠离子电池正极材料VOPO4·2H2O纳米片的合成与电化学性能
    张香华, 骆微, 芮先宏, 余彦
    2020 (5):  1410-1415.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0087
    摘要 ( 229 )   HTML ( 12 )   PDF(3443KB) ( 253 )  

    VOPO4·2H2O具有二维层状结构,有利于钠离子的存储及快速迁移,适合用作钠离子电池正极材料。本文利用水热法成功制备出了VOPO4·2H2O纳米片(厚度约10 nm)正极材料。借助材料表征手段、电化学分析技术等对VOPO4·2H2O纳米片正极材料的微观形貌和电化学性能进行了系统研究。结果表明,VOPO4·2H2O纳米片显微结构均匀,用作钠离子电池正极材料时,表现出较高的可逆比容量和优异的倍率性能及循环稳定性。0.05 C时,平均工作电压可达3.5 V,可逆比容量为130 mA·h/g;在5 C高倍率下,可逆比容量可达70 mA·h/g,循环400 圈后,容量保持率为77%。VOPO4·2H2O的纳米片状结构可以有效促进钠离子的快速嵌入和脱出,使其具有较快的电化学反应动力学特性,从而表现出优异的储钠性能。

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    钠离子电池层状过渡金属氧化物中阴离子氧的氧化还原反应活性调控
    郑薇, 刘琼, 卢周广
    2020 (5):  1416-1427.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0169
    摘要 ( 215 )   HTML ( 15 )   PDF(10828KB) ( 298 )  

    由于资源丰富、价格低廉等特点,钠离子电池逐渐成为储能领域的研究热点。然而,钠离子电池正极材料较低的比容量是限制钠离子电池发展的关键因素之一。近年的相关研究发现,基于过渡金属阳离子与晶格氧阴离子双重氧化还原反应的层状过渡金属氧化物具有高的比容量,是下一代高比能量钠离子电池的首选正极材料。因此,深入了解阴离子氧的氧化还原反应的结构基础及演化机制,对探索高容量电池正极材料有重要意义。本文讨论了钠离子电池层状过渡金属氧化物中阴离子氧的氧化还原反应活化原理、以及结构调控对激发晶格氧活性的影响,并展望了其未来的发展趋势和前景,以期为今后该类型正极材料的研究提供参考。关键词:钠离子电池;正极材料;层状过渡金属氧化物;阴离子氧化还原反应;晶格氧活性调控

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    2020 (5):  1428-1442.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0272
    摘要 ( 403 )   HTML ( 46 )   PDF(1630KB) ( 531 )  

    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2020年6月1日至2020年7月31日上线的锂电池研究论文,共有3632篇,选择其中100篇加以评论。正极材料方面主要研究了高镍三元、镍酸锂和高压钴酸锂的包覆和掺杂改性以及相关单晶材料的合成探索。硅基复合负极材料的研究侧重于优化电极结构以缓冲体积变化,金属锂负极的研究侧重于电极三维结构的构建。固态电解质的研究主要集中于新型固态电解质的探索以及对锂离子输运机理的理解,其他电解液方面主要涉及对溶剂、锂盐的调控优化以及对各类功能性添加剂的研究。固态电池和锂硫电池方向更多的关注于三维复合正极的设计开发。表征测试技术方面偏重于使用各种成像手段从多个尺度对电极内部微结构进行直观分析,且使用原位和非原位方法对电化学过程中各类性质的演变进行观测。此外,关于结构和界面模拟的理论计算工作也有多篇。

    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    储能材料与器件
    铌元素在锂离子电池中的应用
    高鹏, 张珊, 贲留斌, 赵文武, 刘中柱, 朱永明, 黄学杰
    2020 (5):  1443-1453.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0109
    摘要 ( 500 )   HTML ( 20 )   PDF(5191KB) ( 494 )  

    锂离子电池因其能量密度高、环境污染小等优点得到了广泛应用,但其仍然存在不容忽视的问题,电极材料结构劣化导致的电化学性能下降及热稳定性差等问题仍然比较严重,因此电极材料改性仍然是目前锂离子电池的研究重点。基于铌具有其自身独特的优势,将铌引入锂离子电池作为正极掺杂材料,可以提高电子导电性、提高稳定性、扩展Li+嵌入/脱出通道及降低阳离子混排程度;将铌引入锂离子电池作为负极活性材料,铌氧化物和铌基复合氧化物也表现出优异的电化学性能;在固态电解质中,铌既可以作为Li7La3Zr2O12的主要掺杂元素,也是Li5La3Nb2O12中的主要组成元素。本文通过对近期相关文献的梳理,对铌在锂离子电池领域中的应用进行了总结与分析,重点阐述了其掺杂作用机理及其在锂离子电池正极材料、负极材料和固态电解质中的应用。在锂离子电池正极材料中,介绍了Nb在一元材料、二元材料、三元材料以及聚阴离子材料中的研究与应用情况;在锂离子电池负极材料中,介绍了铌氧化物和铌基复合氧化物作为新型负极材料的研究与应用情况;在锂离子电池固态电解质中,介绍了铌的掺杂和应用情况。最后对Nb修饰电极材料的产业应用前景和可行性做了适当的分析。综合分析表明,铌在锂系列电池中的研究范围越来越广阔,应用不断深入,相信未来铌会在锂电池领域发挥更加重要的作用。

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    有机物衍生的锂硫电池正极材料研究进展
    陆贇, 梁嘉宁, 朱用, 李峥嵘, 胡冶州, 陈科, 王得丽
    2020 (5):  1454-1466.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0126
    摘要 ( 566 )   HTML ( 21 )   PDF(8425KB) ( 266 )  

    锂硫二次电池具有能量密度高、成本低和环境友好等优点备受科研工作者们的青睐。但是,单质硫和硫化锂固有的低电导率以及中间产物多硫化锂易溶于电解液产生“穿梭效应”,导致活性材料流失的同时,活性位点也发生严重的体积膨胀,最终造成循环过程中容量迅速衰减。近年来,将链状硫片段与具有活性自由基的聚合物在高温下环合形成稳定的有机硫共聚物,被认为是代替单质硫正极、解决传统C/S体系循环稳定性差的有效策略之一。本文回顾了传统碳载硫(C/S)锂硫电池的反应机理和现阶段存在的问题,综述了腈基、不饱和烃基、硫醇基和小分子有机硫电极的制备方法,储锂机制和近年来的研究进展,分别列举了作为锂硫电池正极的优/劣势,并从科学的角度提出了解决策略和发展方向。综合分析表明,有机物衍生锂硫电池正极利用其“主链导电,侧链储能”的特性,能有效地改善长链多硫化锂溶于电解液所产生的“穿梭效应”,利用高温下不饱和键断裂环硫的策略,将整个/部分活性硫片段整合到正极材料中,有望在实现高硫载量的同时获得高循环稳定性。

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    赝电容特性的三维SnS2/碳复合材料的制备及其储锂性能
    马新刚, 臧玉魏, 谢连科, 尹建光, 张国英, 马荣春, 袁宪正
    2020 (5):  1467-1471.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0118
    摘要 ( 127 )   HTML ( 12 )   PDF(2444KB) ( 120 )  

    通过将电极材料纳米化并与导电材料复合被证实有助于提升合金转化型材料的储锂性能。通过在氮和磷掺杂的三维碳骨架材料表面引入碳包覆的SnS2超细纳米颗粒获得了具有赝电容特性的电极材料,将其应用于锂离子电池时,展现了优异的倍率特性和循环稳定性。通过循环伏安对材料的储锂机理进行了分析,其中三维网络结构有利于离子和电子的快速传输,并且能够提供更多的活性位点从而提升材料的比容量;同时超细的SnS2纳米颗粒可以有效缓解充放电过程中的体积膨胀,保证电极材料的结构稳定性。

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    NASICON结构Li1+xAlxTi2-x(PO4)30x0.5)固体电解质研究进展
    吴洁, 江小标, 杨旸, 吴勇民, 朱蕾, 汤卫平
    2020 (5):  1472-1488.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0135
    摘要 ( 263 )   HTML ( 15 )   PDF(6650KB) ( 462 )  

    锂离子电池在生活中的广泛应用大大提高了人们的生活品质。但是由于采用了易燃的有机液体电解质,传统锂离子电池存在安全风险,能量密度也受到了限制。使用固体电解质替代有机液体电解质发展全固态电池有望解决这些问题。在各种固体电解质中,NASICON结构固体电解质Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(LATP,0 ≤ x ≤ 0.5)具有离子电导率高、耐环境稳定性好,合成条件温和等优势,因此有广阔的发展前景和应用潜力。本文先从晶体结构、离子扩散机理、合成方法、提升离子电导率的途径4个方面综述了LATP材料的研究进展;另外,电化学稳定性差以及和电极活性材料界面阻抗大的问题限制了LATP固体电解质在全固态锂电池中的应用,所以在后半部分总结了这些关键问题的解决途径和方法。最后指出,界面问题是限制LATP固体电解质在全固态电池中应用的主要问题,还需要发展更好的策略来进一步优化LATP与电极活性材料之间的界面。

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    锌空气电池非贵金属双功能阴极催化剂研究进展
    朱子岳, 符冬菊, 陈建军, 曾燮榕
    2020 (5):  1489-1496.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0121
    摘要 ( 207 )   HTML ( 10 )   PDF(2891KB) ( 218 )  

    锌空气电池是一种特殊的燃料电池,以空气中的氧气作为阴极反应活性物质,具有理论能量密度高、安全便携以及绿色无污染等优点,是柔性可穿戴光电子产品的理想供电电源之一。电化学氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)对于锌空气电池的性能起着至关重要的作用。目前,在碱性介质中贵金属Pt具有最高的ORR催化活性,Ir和Ru及其氧化物具有优异的OER催化活性,然而单一贵金属催化剂的高成本、稀缺性和无双功能催化活性严重制约了其商业化应用,因此开发与贵金属催化剂催化性能相当的非贵金属双功能催化剂显得尤为重要。本文结合近几年国内外锌空气电池非贵金属阴极催化剂的研究成果,对非金属杂原子掺杂碳材料、过渡金属基复合材料、过渡金属化合物和金属有机框架及其衍生物作为阴极催化剂的研究进行详细综述,着重介绍了不同材料的制备方法和锌空气电池性能提高的影响机理,认为对非贵金属双功能阴极催化剂的尺寸、形貌和结构进行合理调控可以改善锌空气电池的性能,有望替代贵金属催化剂。最后对目前锌空气电池非贵金属阴极催化剂发展中存在的问题进行总结,未来应从深入研究电化学反应机理、开发本征催化活性高的复合催化剂和改善空气电极结构三个方向进行,有望实现锌空气电池非贵金属阴极催化剂的商业化发展。

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    锂离子电池极片层数对热积累效应的影响
    彭文, 杨刘倩, 朱振东
    2020 (5):  1497-1504.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0170
    摘要 ( 253 )   HTML ( 11 )   PDF(3882KB) ( 229 )  

    锂离子电池的极片为电芯最重要的组成部分,极片层数增加会提升电池的容量,但同时也造成内部的产热积累以及外部的散热受阻,最终对电池的安全性造成威胁。因此,本文以10 A·h的磷酸铁锂电池为研究对象,首先建立了一种三维分层的电化学-热耦合模型,理论分析了极片层数对热积累效应的影响,之后通过温度分布验证了本模型的精确性,最后分析了极片层数对锂离子电池温度分布的影响,以及在倍率和极片层数的综合考量下锂离子电池的热积累效应,给出了锂离子电池极片层数的设计依据。结果表明随着极片层数的增加,电池内部热积累效应增强,导致电池温度升高,并且在垂直于极片方向上存在一定的温度梯度;在高倍率以及极片层数较大时,极耳温度高于电芯温度,高温逐渐向极耳区域集中,极耳部位的散热需着重考虑;此外随着倍率的增大,电池的温差也明显增大,当倍率从3 C增大到10 C时,温差增大了约11.2倍。因此如果对电池执行快充和快放的策略,那么电池的极片层数则不宜太高,以避免电池温差过大造成内部热-电化学性质的不均匀分布,最终导致局部高温或容量衰减。

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    储能系统与工程
    锂离子电池电力储能系统消防安全现状分析
    李首顶, 李艳, 田杰, 赵宇明, 杨敏, 罗俊, 曹元成, 程时杰
    2020 (5):  1505-1516.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0111
    摘要 ( 288 )   HTML ( 29 )   PDF(8306KB) ( 626 )  

    锂离子电池储能技术是储能领域最具应用前景的技术之一,但安全问题一直是其大规模推广应用所面临的主要挑战。本文对锂离子电池电力储能系统消防安全研究的最新进展进行了概括,从锂离子电池火灾特性、灭火剂适用性、消防装备匹配性和技术规范等方面分析了目前电力储能系统消防安全现状。通过比较电力储能系统与电动汽车安全性、电气火灾与锂离子电池火灾的区别与联系,系统性地阐述了目前锂离子电池储能消防技术的不足与缺陷,并指出预制舱式储能在消防安全设计方面可能的技术途径。最后,对锂离子电池储能消防安全系统的技术需求与发展方向进行了展望。

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    三元软包动力锂电池热安全性
    王栋, 郑莉莉, 李希超, 杜光超, 冯燕, 贾隆舟, 戴作强
    2020 (5):  1517-1525.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0122
    摘要 ( 285 )   HTML ( 19 )   PDF(4667KB) ( 388 )  

    锂离子电池频出的安全事故对电池厂商提出了更高的安全性要求,利用ARC提供的绝热环境研究了23 A·h软包NCM523动力锂电池,热失控过程中热特征参数变化、温度场的分布及热失控的演变。25% SOC电池相较于75%SOC电池的热失控触发温度低22.68 ℃,75%SOC电池相较于25% SOC电池热失控的最高温度Tm高70.07 ℃,最大温升速率大111.37 ℃/min,即75%SOC电池热失控过程化学反应放热更加剧烈,热失控破坏性较大。热失控过程中,25%SOC电池正极、负极的最高温度分别为385.5 ℃、342.7 ℃,电池正极温度高于负极42.8 ℃;75%SOC电池正极、负极的最高温度分别为508.8 ℃、365.8 ℃,电池正极温度高于负极143 ℃。25%SOC电池在119.75 ℃鼓包明显;339.35 ℃时,电池产生大量浓烟,电池没有发生爆炸,热失控后损毁较为严重,电池开始自产热到热失控最高温度总历时5.125 h。75%SOC电池171.06 ℃时正极附近出现大幅鼓起;4.77 min后,电池正负极中间处喷出大量烟雾;1 s内电池喷出火焰,电池发生爆炸,爆炸所引起的燃烧大约持续6.4 s,电池开始自产热到热失控最高温度总历时6.715 h。

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    成组结构对锂离子电池相变热管理性能的影响
    张丹枫, 孙金华, 王青松
    2020 (5):  1526-1539.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0124
    摘要 ( 250 )   HTML ( 6 )   PDF(9039KB) ( 233 )  

    基于相变材料的锂离子电池热管理系统相对于基于风冷、液冷、热管的电池热管理系统,具有无外加能耗、结构简单、温度均匀性好等优势。电池排列方式及间距对模组散热性能影响较大,而通过改进成组结构提升相变热管理系统性能的研究较少。基于有限元方法建立电化学-热耦合模型,通过实验验证模型准确性,采用数值模拟方法,对平行、错列、交叉三种电池排列方式及电池间距对相变热管理系统性能的影响进行研究。结果表明,对于矩形圆柱电池模组,平行排列方式相比于非平行排列方式,对相变材料的利用率更高,整体散热效果更好。放电过程中,电池最高温总体呈上升趋势,并存在减速上升过程,电池间距越小,电池最高温越大,越早出现减速上升;电池最大温差呈上升-下降-上升趋势,上升-下降过程中温差、下降幅度与电池间距成正比,再次上升过程中温差与电池间距成反比;平均相变比例从相变起始时间开始上升,电池间距越小,相变起始时间越早,平均相变比例越大。对于矩形圆柱电池相变热管理系统,电池最优间距为4~5 mm。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    韩国锂离子电池储能电站安全事故的分析及思考
    曹文炅, 雷博, 史尤杰, 董缇, 彭鹏, 郑耀东, 蒋方明
    2020 (5):  1539-1547.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0127
    摘要 ( 283 )   HTML ( 22 )   PDF(3191KB) ( 397 )  

    安全性是锂离子电池储能系统的重要议题,探究锂电池储能系统安全事故成因,开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。本文立足于韩国公开的其国内近期发生的锂电储能系统安全事故调查报告,对电池本体、外部激源、运行环境及管理系统等引致安全事故的因素进行了分析,梳理了四类因素作用下电池及系统安全事故的触发及演化规律,探讨了四类因素间的相互影响机制,总结经验教训的同时提出了锂电储能系统安全管理的发展方向。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于特征组合堆叠融合集成学习的锂离子动力电池SOC估算
    何瑛, 钟根鹏, 陈翌
    2020 (5):  1548-1557.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0132
    摘要 ( 158 )   HTML ( 7 )   PDF(2060KB) ( 441 )  

    关于电池SOC估算的研究多采用单体电池在理想实验条件下的充放电数据进行,这未必能适应真实复杂多变的行驶工况。针对此问题,本工作依托新能源汽车国家大数据联盟,利用数据驱动的方法,构建了瞬态、驾驶行为、衰老、时变、行驶里程和动态特征来从多个角度反映动力电池的工作状况。采用基于特征组合的堆叠融合集成学习方法,对实际复杂多变工况下的动力电池放电过程进行了SOC估算,并构建了1个基于瞬态特征的Xgboost Model 0参照组模型,5个基于特征组合的Xgboost Model 1、2、3、5、6模型以及1个线性模型Linear Model 4进行对比分析。结果表明:对比Model 1~6与参照组Model 0,基于特征组合的堆叠融合模型(堆叠模型)平均绝对误差(MAE)、均方误差(MSE)最小,分别为0.39和0.32,相较于参照组模型分别降低了38%和46%;同时其决定系数R2最高,达到0.9995,相较于参照组模型提高了2%。堆叠模型的泛化能力也表现良好,其准确性平均值和标准差分别达到98.89%和0.03%。对比Model 5、6与参照组Model 0,可知随着特征维度的增加,模型的MAE、MSE会减小,R2会增加,模型的性能变好。本研究有助于推动数据驱动方法在动力电池SOC估算的应用,对实际行驶的电动汽车SOC估算有一定指导和参考意义。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    城轨超级电容储能的容量配置和控制策略研究
    赵正一, 俞葆青, 孔德卿, 任海滢
    2020 (5):  1558-1561.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0275
    摘要 ( 152 )   HTML ( 6 )   PDF(819KB) ( 137 )  

    采用超级电容储能装置实现轨道交通工程存在的再生制动能量吸收功能,同时可以有效解决逆变回馈型节能装置的再生能量倒送110 kV主变电所问题。本文以实际工程中的列车运行参数为基础,对列车制动过程进行力学和电学分析,提出了电容储能型节能装置的整体设计方案。储能型节能装置包括双向斩波器和超级电容组,斩波器主电路采用交错并联的双向Buck-Boost电路,超级电容组采用串并联方案;根据储能装置的电压和电流需求,设计了超级电容组的串联配置数量和并联配置数量。建立了列车、整流机组和储能装置模型,并在此基础上设计了储能装置中斩波电路的控制策略,实现储能装置在列车制动过程中能量的储存功能和牵引过程中能量的释放功能;最后以PWM整流器的功率源模式作为列车模拟源,模拟列车的牵引过程和制动过程,通过试验验证了斩波电路的控制策略和超级电容组的充放电特性,结果表明该储能方案的斩波电路控制策略和电容组容量配置方案满足要求。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    我国电力系统对大规模储能的需求分析
    裴哲义, 范高锋, 秦晓辉
    2020 (5):  1562-1565.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0252
    摘要 ( 237 )   HTML ( 13 )   PDF(705KB) ( 170 )  

    我国正在加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系,显著的特点就是推动新能源装机快速发展。但随着新能源装机规模的不断增加,其出力的随机波动性给电力系统的功率平衡带来了巨大的调峰压力,也成为制约高比例新能源消纳的主要因素;同时,由于新能源等电力电子设备的弱支撑性,高比例新能源电力系统的安全稳定也面临巨大的挑战。本文结合新能源并网分布特点及其快速增长带来的调节需求,提出了增强电力系统调节能力配置储能的分析原则;结合特高压电网安全运行需求,分析了储能提升特高压电网安全性方面的作用,在受端电网内配置GW级(数百万千瓦)的电化学储能电站,参与电网频率安全控制,能有效应对功率不平衡量的冲击、减少系统频率跌落的幅度、改善频率恢复特性、保障系统的频率稳定性。综合分析表明,推动GW级电化学储能应用,构建更加灵活高效的电力系统,既能有效促进新能源健康发展和高效利用,也可有力保障含高比例新能源和高比例电力电子设备的电力系统的安全稳定运行。电化学储能在电力系统中的试点应用取得了大量经验,为下一步大规模应用奠定了良好的基础。

    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    储能测试与评价
    基于EEMD-GSGRU的锂电池寿命预测
    易灵芝, 张宗光, 范朝冬, 罗显光, 李旺, 刘文翰
    2020 (5):  1566-1573.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0022
    摘要 ( 131 )   HTML ( 9 )   PDF(3054KB) ( 97 )  

    针对构建锂电池寿命预测数学模型复杂且易出现过拟合及泛化能力差的问题,提出集合经验模态分解(EEMD)和门控循环单元(GRU)并采用网格搜索(GS)的时序分解-集成模型(EEMD-GSGRU)。该模型首先将锂电池剩余容量数据进行信号分解,分解成总占比大的趋势因子和总占比小的误差因子,将分解时间序列分别预测GRU再合并进行实时滚动预测,最后使用GS搜索网络参数,使用Adam优化策略更新GRU网络权重。最后将NASA提供的锂电池数据集用于该模型,并与其他算法进行对比证明本EEMD-GSGRU模型优越性,本模型10次实验的平均均方根误差分别为0.0169、0.0309、0.0111,平均绝对百分误差分别为1.1921、2.2706、0.7279,证明本模型提高了锂电池寿命预测精度。

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    燃料电池物流车城市应用准备度评价
    吴小员, 左哲伦, 郭诗钰, 汪 茹, 何建辉
    2020 (5):  1574-1584.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0152
    摘要 ( 207 )   HTML ( 8 )   PDF(2204KB) ( 162 )  

    本文从氢能终端消费视角,总结了我国燃料电池汽车推广应用的实践路径与发展趋势,重点研究了其中推广规模最大、商业化程度最高的燃料电池物流车城市应用准备度问题,并提出了提高应对策略。介绍了燃料电池物流车主力车型与应用场景;调研、比较了我国四级代表性城市的应用现状与影响因素,利用层次分析(AHP)、灰色关联、德尔菲等方法,构建了包含地方条件、政策环境、配套设施、车辆运维、市场推广等5个维度的燃料电池物流车城市应用准备度评价指标体系,建立了评价模型,并对上海、佛山等典型城市进行了准备度测度与分析。阐述了我国燃料电池物流车城市准备度整体水平不高;四级城市中,地级城市总体最积极、省会城市最弱;各城市普遍存在政策出台密集但针对性、可实施性不强以及市场推广模式可拓展性不高等问题。提出了四级各类城市优化应用场景与适用车型匹配选择,因地制宜利用可再生能源制氢、优化布局加快建设加氢站,完善燃料电池物流车路权、停放等支持政策,以及支持商业模式创新和创新型运营商培育等提高城市准备度的对策建议。

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    基于IBA-PF的锂电池SOC估算
    田冬冬, 李立伟, 杨玉新, 王凯
    2020 (5):  1585-1592.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0175
    摘要 ( 213 )   HTML ( 5 )   PDF(1464KB) ( 98 )  

    针对传统粒子滤波估算电池荷电状态(SOC)出现的粒子贫化问题,本工作提出了一种改进蝙蝠算法(IBA)优化粒子滤波(PF)来估算SOC的方法。将粒子表征为蝙蝠个体,模仿蝙蝠族群捕食过程,解决粒子滤波技术中粒子贫化问题;结合二阶Thevenin电池模型构建电池状态空间理论模型并对电池进行相关参数辨识;利用IBA-PF算法与标准PF算法在脉冲电流工况和DST工况电流下进行SOC估算。实验结果证明,与传统的PF算法比较,基于IBA-PF的锂电池SOC估算精度在2%以内,对非线性和非高斯特性的锂电池SOC估算具有良好的适应性和稳定性。

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    产经动态