2023年中国储能技术研究进展

本文对2023年度中国储能技术的研究进展进行了综述。通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析,在综合分析的基础上,总结得出了中国储能技术领域的主要进展,包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器、储能新技术、集成技术和消防安全技术等。结果表明,2023年中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均取得了重要进展,保持了全球基础研究、技术研发和集成示范最为活跃的国家地位,中国在储能领域发表SCI论文数、申请专利数、装机规模继续保持世界第一。展望2024年,中国储能技术有望继续高速发展,同时总体上需要向高质量发展转变。

单组分和三组分电解液添加剂对电池型电容器性能的影响

电解液添加剂作为电解液中的重要组成部分,能够以较低的含量实现较大程度的性能改善。针对常见的碳酸亚乙烯酯(VC)、硫酸乙烯酯(DTD)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)电解液添加剂,系统研究了单组分添加剂和三元添加剂对锂离子电池型电容器的性能影响。结果表明,VC在60 A(7.5C)电流下循环3000次后容量保持率达到92.08%。DTD在低温-40℃下放电能量保持率为63.29%,较PS单组分添加剂提高了4.39%。PS单组分添加剂的自放电率较大,为2.648 mV·h^(-1),在高温下还会发生副反应产气。对于不同含量混合的三元添加剂,VC和DTD的搭配使用能够有效提高电容器的各部分性能,如放电平台、低温性能、高温性能和循环性能。但是添加剂的含量需要进一步把控,通过多种添加剂的协同设计和配合使用,充分发挥优势,以提高锂离子电池型电容器的性能。

基于LMO和AC电极的锂离子超级电容器质量比调控

锂离子超级电容器结合了超级电容器高功率和锂离子电池高能量的特点而备受关注,正负极质量匹配对发挥锂离子超级电容器的性能至关重要。本文基于锰酸锂(LMO)正极、活性炭(AC)负极和乙腈电解液,设计制作了不同正负极质量比软包锂离子超级电容器,系统考察了电极质量比对锂离子电容器电性能、工作电压和低温性能的影响。结果表明:随着正负极质量比增大,锂离子电容器容量增大,倍率性能和低温性能提高,充放电曲线在高电极质量比下呈现线性关系,能量密度呈现先增大后减小的趋势。正负极质量比2/1时,锂离子电容器综合性能最优,50C的容量达到1C时的78.0%,最大功率密度为7247 W·kg^(-1),2.3 V下器件最大能量密度达到9.5 Wh·kg^(-1),3.1 V下器件和活性物质的能量密度分别提高至20.2 Wh·kg^(-1)和65.0 Wh·kg^(-1)。但宽工作电压会带来寿命衰减,在1~2.3 V充放电循环10000次容量保持率为93.0%,而在0.5~2.5 V充放电循环5000次容量保持率降至84.5%。在-40℃容量是25℃时的57.8%,能量密度依然还有5 Wh·kg^(-1)(2.3 V)。

硫系电解液添加剂对镍钴锰酸锂//石墨锂离子电池性能的影响

本工作系统研究了6种添加剂[碳酸亚乙烯酯(VC)、亚硫酸乙烯酯(ES)、硫酸乙烯酯(DTD)、1,3-丙二醇环硫酸酯(PCS)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)、1,3-丙烯磺酸内酯(PST)]对镍钴锰酸锂(NCM111)//石墨体系锂离子电池电化学性能的影响,通过对比首次充放电效率、放电容量、倍率特性、低温放电能力、高温存储性能以及循环寿命等发现:VC在各方面性能比较均衡,碳碳双键(C=C)能够改善成膜特性,循环性能优异,可独立使用;ES在化成、循环和存储过程中因电解液持续分解而胀气,无法单独使用;硫酸酯添加剂(DTD和PCS)能够明显降低阻抗并提升低温性能,但高温性能稍差;磺酸内酯添加剂(PS和PST)对抑制高温胀气效果突出,含有双功能基团的PST循环性能及抑制电压衰减的能力优于PS,但低温阻抗较高。综合对比发现,单组分硫系添加剂在某些性能方面有自己的特色,但也存在显而易见的缺陷,无法独立使用。通过与VC进行等比例复配,硫系添加剂循环性能差的问题得以解决,而高首效、低内阻、大倍率和高温稳定性等特色功能得以保持,二元联用后的综合性能显著优于单组分添加剂,采用添加剂联用方式来改善电池综合性能是较佳选择。

富锂镍酸锂(Li_(2)NiO_(2))作为预锂化剂对活性炭//硬碳型锂离子电容器电化学性能的影响

锂离子电容器(LIC)兼具大容量、高功率、长循环和宽温度特性,但在规模化制备中受限于预锂化这一“卡脖子”难题,导致应用推广受限。相较于负极预锂化,正极预锂化具有操作简便、产线适配性强、工艺成本低等优势。Li_(2)NiO_(2)(LNO)作为一种典型的正极预锂化剂具有储锂容量高、首次效率低、不可逆容量大、释放锂离子后相对稳定的特性,受到广泛关注。本文组装了以活性炭(AC)为正极、硬碳(HC)为负极的LIC,系统研究了正极活性材料组分中LNO的添加量(质量分数为0%,2%,5%,10%,分别命名为AC-Li0、AC-Li2、AC-Li5、AC-Li10)对LIC电化学性能的影响,发现添加量为10%时器件综合性能最佳。同AC-Li0相比,AC-Li10的循环伏安(CV)和恒流充放电曲线均呈现近似EDLC的容性行为,界面阻抗明显减小,高低温性能得以改善,在-40℃超低温环境仍具备10C放电能力,循环10000次(2.0~3.8 V)后容量保持率高达96.3%。此外,LNO的引入使得AC-Li10的额定电压可从3.8 V提升到4.0 V,器件在2.0~4.0 V测得的最大能量密度为61.21 Wh·kg^(-1),在最大功率密度20575.13 W·kg^(-1)下测得的能量密度为16.34 Wh·kg^(-1),优于商业化LIC。在LIC正极制浆过程中直接添加LNO作预锂化剂,能够显著改善器件的电化学性能并降低制程工艺成本,具有重要的科研和实用价值。

基于非线性输出频率响应函数的斜裂纹转子故障诊断方法研究

以斜裂纹为研究对象,将非线性输出频率响应函数(Nonlinear output frequency response function,NOFRF)应用到含有斜裂纹转子系统的故障诊断中。对比分析了斜裂纹不同倾角,不同裂纹深度和不同裂纹位置下的NOFRF值的变化情况,得到了具有一定价值的结论。实验结果表明,系统的NOFRF值对裂纹的不同倾角、裂纹的不同位置和裂纹深度的变化相当的敏感。因此,根据系统的NOFRF值的变化情况,可以有效监测转子系统中的斜裂纹故障。

斜裂纹转子刚度特性分析

在材料力学和断裂力学的基础上,运用应变能释放率的方法,得出斜裂纹的刚度矩阵.讨论在裂纹全开的状态时,裂纹倾角、轴细长比和裂纹深度对转轴刚度的影响,并对裂纹处于旋转时的开闭情况及相应轴的刚度变化规律进行研究.结果表明:当裂纹处于全开状态时,随着裂纹倾角的增大,裂纹的刚度随之减小,轴刚度的变化随着裂纹深度的增大更加显著;当裂纹处于开闭状态时,随着裂纹深度的增加,轴的刚度不再一直减小,而是有一定规律的波动,即时变特性,此时,轴的耦合振动随之增强,转子的动力特性变得愈加复杂.

基于活性炭/镍钴锰酸锂(AC/LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2)复合正极的锂离子超级电容电池的构建及其电化学性能

采用有机体系(NMP+PVDF)混料及乙醇萃取的方法成功制得活性炭/LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2(AC/NCM)复合电极片,通过设计不同AC/NCM配比能够调控能量和功率密度。选取AC/NCM为1/3配比的复合正极和硬碳(HC)负极组装的超级电容电池循环伏安(CV)曲线呈现近似矩形的容性特征,恒流充放电过程电压随时间的变化(V-t曲线)呈现出良好的线性行为。此外,采用导电炭黑(SP)/碳纳米管(CNT)/石墨烯(graphene)=3/1/1的质量比设计了复合导电剂,立体导电网络的构建有效降低了器件内阻。按照IEC 62660—1标准,在2.5～4.2 V电压窗口,83.4 W/kg功率密度下测得的能量密度高达66.6 W·h/kg,在最大功率密度6.5 kW/kg下测得的能量密度为21.5 W·h/kg。器件充满电后在65℃高温存储168 h能量保有率为97.4%,且无任何胀气现象,平均自放电率为27.5 mV/天,表现出优良的高温特性。采用14 C和50 C电流循环充放电1000次后能量保有率分别为99.06%和96.45%,体现出该超级电容电池的长寿命优势。在12kW/kg平均放电功率密度下进行脉冲测试,连续放电100次后该器件仍表现出良好的稳定性,表明在车辆启动、脉冲器件等领域具有极大的应用潜力。

以预锂化钛酸锂为负极的混合型超级电容器的性能研究

通过对钛酸锂(LTO)负极进行电化学预锂化能够解决活性炭/钛酸锂(AC/LTO)混合型超级电容器在1.5~2.0 V电位区间的"跳水"现象(有电压没容量)。软包装AC/LTO超级电容器件的恒流充放电和循环伏安测试结果表明;当AC与LTO质量比为2:1,负极预锂化程度为5%~30%(按LTO实际容量150 m Ah/g计)时,超级电容器在1.5~2.0 V低电位区间的容量显著提高。尤其当预锂化程度为20%时,器件在1.5~2.8 V全电压窗口呈现良好的线性充放电行为,同未预锂化的单体相比,比能量提高20%以上,100C电流下能量保有率为5C时的63%,表现出优异的倍率性能。但过度预锂化会导致负极容量不足,对器件性能造成不良影响。

斜裂纹转子全开状态的刚度影响因素分析

基于材料力学和断裂力学理论,采用应变能释放率的方法推导出斜裂纹轴在轴向力、弯矩和扭矩的共同作用下的刚度矩阵,在裂纹完全张开的静态情况下,讨论了裂纹倾角、裂纹深度和轴细长比等参数对转轴刚度的影响。研究表明,在裂纹完全张开的静态情况下,裂纹的切向和法向的刚度随着裂纹倾角的减小而增大;裂纹深度的增大使裂纹轴的刚度变化增大;在裂纹轴稳态旋转的周期内,裂纹轴的刚度不是随着裂纹深度增加而一直减小的,而是具有一定的呼吸特性,上下波动,且很容易引起耦合振动,从而使转轴的动力特性更加复杂。

固态超级电容器的研究进展

使用液态电解质的传统超级电容器存在柔性差、易漏液、抗机械冲击能力差等问题,无法满足未来便携式、可穿戴、可植入电子产品的技术需求。近年来,固态超级电容器因其功率密度高、机械柔韧性好、安全性能突出和易于制备的特点得到广泛关注。固态超级电容器技术的关键在于固态电解质、器件构型设计、封装和制造工艺。重点综述了固态超级电容器电解质(全固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质和全固态无机电解质)的研究进展和三种常见构型(纤维状构型、三明治构型和叉指状构型)的设计方式,并基于应用场景(拉伸、扭曲、压缩、自修复、生物植入等)对器件的功能特性要求进行了阐述,最后针对固态超级电容器走向工业化应用的进程中面临的部分问题提出一些思考。

锂离子电容器研究进展及示范应用

锂离子电容器兼具双电层电容器的高功率密度与锂离子电池的高能量密度特性,极大程度的满足了电动公交车、节能电梯和有轨电车等的工况需求,成为近年来各科研院所和高新企业的研究热点。从锂离子电容器的工作原理、电极材料体系以及负极预嵌锂技术等方面阐述了国内外的相关研究进展,并系统的介绍了作者课题组自主开发的能量密度大于20Wh kg-1的锂离子电容器在城市纯电动公交车上的示范应用。运行结果表明,锂离子电容器在固定线路电动公交车领域具有良好的应用前景:1储能量大,实现20 km以下线路首站一次充电跑完全程;2先进的通讯管理系统,实时监控锂离子电容器运行情况,及早预判故障,提高运营安全;3先进的热管理系统,电容单体的最高温度仅比环境温度高3~4℃,完全能够承受高温天气的考验。

不同深度呼吸型斜裂纹转子的非线性输出频率响应特性分析

将具有呼吸型斜裂纹的转轴作为研究对象,结合非线性输出频率响应函数(NOFRF)理论对转轴上的斜裂纹故障进行识别。根据非线性输出频率响应函数理论及辨识算法求出系统不同阶次的NOFRF值,并对斜裂纹转子在不同裂纹深度时的NOFRF值进行分析。实验结果表明,随着裂纹深度的增加,系统的非线性特性会随之变强,根据系统的NOFRF值对裂纹的不同深度比较敏感这一特征,从而实现对转轴上的斜裂纹故障进行准确的诊断。