储能科学与技术

锂离子电池负极材料产业化技术进展

陆浩, 刘柏男, 禇赓, 郑杰允, 罗飞, 邱新平, 李辉, 刘芳, 冯苏宁, 陈卫, 李泓, 陈立泉

2016 (2): 109-119. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.001

摘要 ( 1705 )

本文综述了目前已经商业化生产的锂离子电池负极材料,主要包括天然石墨,人造石墨,硬碳,软碳,Li₄Ti₅O₁₂材料,硅基材料等.详细阐述了这些负极材料的优缺点,并对它们的性能优劣进行了对比,给出了各自具有代表性的充放电曲线.概述了各类负极材料目前的国内外市场状况,并对未来几年锂离子电池负极材料市场的发展趋势进行了预估.介绍了各类负极材料的产业化现状,包括主流生产工艺,产品应用领域,行业领先企业等,总结了各类负极材料,尤其是天然石墨和人造石墨在中国的早期研发历史,并整理了各类负极材料在国内最早发表的文章和专利.最后概述了目前整个锂离子电池负极材料行业存在的一些问题,讨论了目前锂离子电池负极材料的发展思路,并展望了未来的技术发展趋势.

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锂离子电池隔膜及技术进展

王畅, 吴大勇

2016 (2): 120-128. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.002

摘要 ( 1051 )

PDF(9856KB) ( 1026 )

介绍了锂电池隔膜的功能及影响其性能的因素.总结了近十年来在锂电隔膜研发和技术领域的热点,即高安全性,新材料,陶瓷涂覆和提高润湿性等.分析了包括3C锂电池及动力锂电池等两类电池对隔膜性能的要求,指出了3C锂离子电池隔膜需要往厚度更薄,孔隙率更高,耐热温度更高,均匀性更好等方向发展,动力锂电池则着重于提高能量密度,扩大电化学稳定窗口,提升耐高电压特性.并从聚烯烃改性,聚烯烃-陶瓷复合隔膜,新材料体系,新工艺方法等方面介绍了隔膜领域的主要技术进展.最后,分析并展望了我国隔膜产业的现状,指出在提高产能的同时,应更加注重对技术及工艺的自主研发以保证产品质量.

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锂离子电池用水性黏结剂的研究进展

黄书, 任建国, 袁国辉

2016 (2): 129-134. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.003

摘要 ( 1311 )

PDF(6826KB) ( 2711 )

黏结剂是影响锂离子电池电化学性能的重要组成部分,合适的黏结剂可以提高黏结强度进而降低黏结剂的用量,并提高电化学性能以及一定程度地抑制膨胀,同时水性黏结剂的使用不仅降低成本,更有利于保护环境.本文综述了水性黏结剂在锂离子电池正,负极中的应用,及其良好的电化学性能和广阔的应用前景, 阐述了不同锂离子电池电极黏结剂的特征和优缺点,说明可以代替有机溶剂型黏结剂聚偏氟乙烯的使用,分析了锂离子电池电极黏结剂的未来发展方向.

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锂硫电池中碳质材料的研究进展

李高然, 李洲鹏, 林展

2016 (2): 135-148. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.004

摘要 ( 768 )

PDF(21445KB) ( 636 )

随着能源和环境问题的日益突出以及电子电动设备的迅猛发展,传统锂离子电池已经越来越难以满足人们对于高能量密度电池的需求.锂硫电池因其能量密度高,成本低以及无污染等优点,被认为是极有潜力的下一代高能量密度储能体系.然而由于锂硫电池中正极材料电子,离子电导率低,充放电过程中电极体积变化大,聚硫化物等中间产物的溶解和伴随的"穿梭效应"以及锂负极的使用所带来的锂枝晶等一系列问题,导致锂硫电池的循环寿命差,阻碍其产业化的应用发展.锂硫电池体系中碳质材料的引入可以提高材料导电性,缓冲体积变化,抑制聚硫化物穿梭,是提高其电化学性能的有效手段.本文综述了近年来最新的锂硫电池中碳质材料的应用研究进展,包括硫/碳复合物,柔性自支撑电池和碳质锂硫电池负极,分析了其对锂硫电池性能提升的作用机理,并展望了锂硫电池将来可能的发展方向.

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室温钠离子电池技术经济性分析

方铮, 曹余良, 胡勇胜, 陈立泉, 黄学杰

2016 (2): 149-158. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.005

摘要 ( 1191 )

PDF(12545KB) ( 1575 )

随着人们对新能源和环境的重视,锂离子电池的应用逐渐扩展到电动汽车和储能领域,这势必增加了锂资源的使用和消耗.在锂资源日益紧缺的形势下,锂离子电池原材料成本必然难以降低,使其在大规模储能中的应用受到限制.而室温钠离子电池由于其资源丰富,成本低,能量转换效率高,循环寿命长,维护费用低等诸多优势已成为目前研究的热点.本文对室温钠离子电池材料选择和原材料成本进行了分析,并与当前常用的锂离子电池体系进行对比,从电池经济性角度表明室温钠离子电池是大规模储能领域的优秀备选电池.

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锂电池百篇论文点评(2015.12.1--2016.1.25)

詹元杰, 陈宇阳, 胡飞, 陈彬, 闫勇, 林明翔, 赵俊年, 武怿达, 王昊, 贲留斌, 刘燕燕, 黄学杰

2016 (2): 159-171. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.006

摘要 ( 732 )

PDF(13315KB) ( 636 )

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2015年12月1日至2016年1月25日上线的锂电池研究论文,共有1889篇,选择其中100篇加以评论.正极材料主要研究了富锂相材料,三元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,黏结剂及反应机理研究,电解液添加剂,固态电解质电池,锂硫电池的论文也有多篇.理论模拟工作侧重于界面结构以及SEI形成机理分析.除了以材料为主的研究之外,针对电池界面,电极结构和性能分析的研究论文也有多篇.

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中国科学院高能量密度锂电池研究进展快报

中国科学院"长续航动力锂电池"项目组

2016 (2): 172-176. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.007

摘要 ( 862 )

PDF(8861KB) ( 1039 )

提高动力电池的能量密度将显著延长续航里程,对发展电动汽车具有重要的意义.中国科学院在2013年底部署了中国科学院战略性先导科技专项,通过合作研究,积极探索了第三代锂离子电池,固态锂电池,锂-硫电池和锂-空气电池等电池体系.其中,采用纳米硅碳负极,富锂正极的24 A·h的锂离子电池单体,质量能量密度达到374 W·h/kg,体积能量密度达到577 W·h/L.8 A·h固态聚合物锂电池60 ℃下能量密度达到240 W·h/kg,基于无机陶瓷固态电解质的固态锂电池室温下能量密度达到240 W·h/kg.37 A·h的锂硫电池单体室温能量密度达到566 W·h/kg,50 ℃达到616 W·h/kg.5 A·h锂空气电池单体能量密度达到526 W·h/kg.目前这些样品电池在综合技术指标方面离实际应用还有较大的距离,需要进一步深入细致的进行基础科学与关键技术方面的研究.从长远考虑,电池能量密度的提高必然进一步增加电池安全性风险,因此不同形式的固态锂电池将是未来长续航动力锂电池的发展方向.

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环三磷腈在锂离子电池中的应用研究现状

刘榛, 尚玉明, 王莉, 何向明

2016 (2): 181-187. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.009

摘要 ( 927 )

PDF(9346KB) ( 469 )

本文回顾了环三磷腈及其衍生物的合成,阐述了其在锂离子电池电解液,正负极材料等关键材料方面的应用研究进展,并进行了相应的展望.随着锂离子电池在高容量动力及储能领域中的广泛应用,电池的安全性问题日益凸显,材料安全性是电池安全性的基本保证.磷腈化合物由于其特殊的组成和结构,具有高效阻燃与电化学稳定性,在用于改善锂离子电池安全性方面受到越来越广泛的关注.在锂离子电池电解液添加剂和共溶剂的研究中发现,磷腈化合物不仅可以改善电解液的热稳定性和阻燃性能,还可以提高电池的充放电电压和循环稳定性;同时,也可以作为正负极材料的重要组分,改善电极材料的安全性.在锂离子电池安全性领域中具有较好的研究价值和实用意义.

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锂离子电池隔膜技术进展

肖伟, 巩亚群, 王红, 赵丽娜, 刘建国, 严川伟

2016 (2): 188-196. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.010

摘要 ( 816 )

PDF(13199KB) ( 797 )

随着锂离子电池在动力和储能等新能源领域应用的不断拓展,传统锂离子电池的性能已经无法满足新兴领域的要求,作为影响锂离子电池性能的关键材料,隔膜制备技术急需深入研究和发展.目前,从组成材料和结构可以将锂电隔膜分成如下五类:① 聚烯烃微孔膜;② 改性聚烯烃微孔膜;③ 有机-无机复合膜;④ 纳米纤维膜;⑤ 固态电解质膜.本文介绍了新能源领域锂离子电池的发展对隔膜性能的严格要求,简要分析了聚烯烃隔膜的缺点,重点综述了各类型锂电隔膜的研究成果,讨论了改性聚烯烃隔膜,复合膜,纳米纤维膜及固态电解质膜的特点及应用情况,指出了安全性和均一性是下一代锂电隔膜的基本要求及关键性能,并展望了锂电隔膜的未来发展方向.

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氢储能系统关键技术及应用综述

霍现旭, 王靖, 蒋菱, 徐青山

2016 (2): 197-203. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.011

摘要 ( 1147 )

PDF(11304KB) ( 967 )

随着国内以风电,太阳能为主的可再生能源快速增长,可再生能源消纳能力不足和并网困难等问题愈发突出,大规模储能系统被证实是解决该问题的有效方法.本文回顾了现有成熟储能系统的不足与限制,分析氢储能的优势特点,构建了电能链和氢产业链融合的氢储能系统,为可再生能源的进一步发展提供良策.随后对氢储能系统三个环节(制氢,储运氢,氢发电)关键技术进行了梳理,对电解槽技术,燃料电池技术和储氢材料中的关键性能进行了比较和评估.在氢储能领域,部分发达国家已经初步形成了从基础研究,应用研究到示范演示的全方位格局,本文对德国和法国的重点示范工程进行了调研,为我国未来发展氢储能的提供参考.

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软包磷酸铁锂电池低温热安全性能研究

王绥军, 傅凯, 官亦标, 刘曙光, 徐彬, 范茂松

2016 (2): 204-209. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.012

摘要 ( 617 )

PDF(7717KB) ( 873 )

本文以剩余容量接近80%的软包磷酸铁锂电池为研究对象,研究其在-10 ℃低温充放电循环后的安全性能.对低温和常温循环后的电池进行热失控实验分析,同时解剖电池并测试电池材料的锂元素含量和热稳定性能.测试结果表明,电池低温循环过程中容量急剧衰减,低温循环后电池热失控温度明显降低,低温循环过程中电池负极析出了锂单质,电池材料的热稳定性也发生了变化.另外,还对低温循环后的电池进行了满电状态下的常温搁置实验,实验过程中电池全部产生胀气现象,通过进一步测试分析发现,气体以CO和H₂为主.与新电池对比发现,剩余容量接近80%的软包磷酸铁锂电池低温下充放电循环更容易产生锂枝晶,造成其电化学性能发生严重的不可逆衰退,热失控温度明显提前,因此剩余容量接近80%的磷酸铁锂电池应避免在低温下运行.

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杂质SO₄^2-对混合硝酸盐结构影响分析

倪海欧, 孙泽, 黄龙, 周扬, 庞旭岩, 宋兴福, 于建国

2016 (2): 210-214. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.013

摘要 ( 654 )

PDF(3969KB) ( 649 )

随着能源技术的发展,硝酸盐作为储能介质的应用越来越广泛,但是有关熔盐结构的研究偏少,特别是杂质离子对混合盐结构和性质的影响,鲜有文献报道.然而,杂质离子却会对混合熔盐的宏观热物性,腐蚀性等产生不同程度的影响,不可忽略,对其微观结构的研究或对宏观性质的研究有所帮助.本文以质量比为 1∶1的KNO₃/NaNO₃混合盐为基础,向其中添加SO₄^2-离子.测量了含杂质混合盐在不同温度的拉曼光谱和高温XRD图谱,考察了SO₄^2-离子对硝酸盐混合物结构的影响.结果表明,在熔盐冷凝结晶时SO₄^2-会优先与Na⁺结合,并且在常温下SO₄^2-以固溶体的形式存在.不同温度下的谱图表明,在200 ℃时混合盐的结构和常温下相比有显著的改变,发生了固-固相变生成新相,且SO₄^2-固溶状态被打破.

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微胶囊碳纳米管储能材料的制备与表征

倪卓, 白嘉健, 曾茵茵

2016 (2): 215-221. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.014

摘要 ( 725 )

PDF(8635KB) ( 350 )

将碳纳米管加入以硬脂酸丁酯作为囊芯的材料,脲醛树脂作为囊壁材料的原位聚合微胶囊体系,合成具有储热性能的碳纳米管微胶囊材料,研究了微胶囊技术与碳纳米管技术对硬脂酸丁酯相变材料储热性能的影响.采用扫描电镜观察样品表面形貌与分布,傅里叶红外光谱仪对样品进行结构表征,采用差式量热扫描仪对样品进行热性能分析,采用Hotdisk热物性分析测试仪对样品的导热系数进行测量.结果表明,碳纳米管均匀分散在囊芯硬脂酸丁酯中,提高了该材料的相变潜热和导热特性.制成的微胶囊呈球形,完整包覆了硬脂酸丁酯碳纳米管复合材料,提高了相变材料的热稳定性.碳纳米管复合材料的热物性能和储热性能与碳纳米管的分散方法,尺寸和品质,甚至测量方法和仪器有关系,本实验结果对所采用的相变材料和碳纳米管的相关作用进行了研究,提供了这方面的实验数据.

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开关电容法均衡的效率分析

张敏吉, 孙洋洲, 梁嘉, 赵昱杰, 凌志斌

2016 (2): 222-227. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.015

摘要 ( 728 )

PDF(5730KB) ( 633 )

在大规模的电池储能应用中,单体电池需要串并联应用,以使电压和容量达到要求,而生产,使用过程中的差异导致电池单体的不一致性是影响储能电站寿命的主要因素之一.储能电池在长期充放电过程中,蓄电池组内各单体电压的离散性会逐渐变大,致使整组电池寿命下降甚至失效,因此普遍采取各种均衡电路降低电池不一致性的影响.本文对几种常用的蓄电池组均衡电路做了简单的比较,包括能量耗散型均衡电路和能量非耗散型均衡电路,着重对开关电容法工作原理及其工作效率进行了分析,得出开关电容法的均衡效率与电池初始状态有关,而与电容容值大小无关等结论.

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基于数值模拟仿真的锌溴电池流道设计评估

赵乾乾, 张少华

2016 (2): 228-234. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.016

摘要 ( 586 )

PDF(6166KB) ( 755 )

液流框是锌溴液流电池电堆的核心部件之一,为了对已付诸应用的液流框流道设计进行评估,本文针对流道建立物理模型,以真实电解液物性参数为研究对象,借助数值模拟,进行流体仿真计算(CFD).文章详细探讨了电解液在流道内的流场分布,出口流量均匀度,流道进出口压差以及不同黏度与进口流量对压降的影响.结果表明:现有的流道设计可实现各出口流量均等,但电解液在扇形坡面设计并未能实现均匀分布,坡面结构有待优化;250 mL/min,0.018 Pa·s工况下的电解液在流道内的压降为22.3 kPa;电解液在流道内的压差与黏度的0.7次方成正比,与流量的1.3次方成正比.

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石油钻机起下钻具功率特性实验

李海波, 牛跃进, 郭巧合

2016 (2): 235-240. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.017

摘要 ( 595 )

PDF(7351KB) ( 645 )

目前石油行业钻机传动系统的设计计算偏保守,动力容量配置偏大,运行操作中能量状态缺乏检测手段.石油钻机的起升系统是典型的周期变化的具有冲击特性的势能负载,为实现势能回收,储存和有效利用,在本研究中提出新的检测方案并研制出检测装置.该装置可全面准确获得钻井起下钻具作业时钻机传动系统的运行状态变化,功率变化,能量转换的实时特性,为研究钻机系统能量回收,利用和动力调峰运行技术提供基础实验数据.通过对实验结果和数据的分析,发现钻机的柴油机动力配置偏高,可通过减配或改进传动结构来提高利用率.

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磷酸铁锂电池组在110 kV变电站直流系统的应用

魏增福, 苏伟, 钟国彬, 徐凯琪, 王超, 陈泗贞, 郑威逊, 赖日晶

2016 (2): 241-245. doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.018

摘要 ( 486 )

PDF(3945KB) ( 627 )

本项目选用了两种不同的电池管理模式对磷酸铁锂电池组进行管理,并将组装好的两套电池组应用于110 kV变电站直流系统的日常运行.运行结果表明,磷酸铁锂电池可以在变电站替代铅酸蓄电池使用,并且可以浮充运行;运行过程中,单体电池的电压会由于电池充电态的变化下降或上升;单体电池的内阻呈现先下降再上升的变化;电池组的放电容量随着运行时间的延长出现每年3%左右的衰减(浮充电压为3.6 V);合适的电池管理模式能将电池组内单体电池的电压差保持在较小的范围,有利于电池组长寿命的运行.

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