《储能导论》-课件 第1-6章-绪论、热质储能-氢能

第一章绪论《储能导论》教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材主要内容四储能技术研究现状及面临的挑战二储能的分类三储能的发展简史一

储能的基本概念五总结与展望1

储能技术的基本概念概念：储能技术，是指将电能、热能、机械能等不同形式的的能量通过物理或化学的手段储存起来，并在需要时以特定能量形式释放的技术。包括机械储能、热储能、电化学储能、电磁储能和氢储能等种类功能：实现能量的时间和空间转移；优化能源结构提高能源利用效率；保障能源安全、促进可持续发展储能风光装机量2030年翻一番2050年20亿千瓦时新能源并网新能源主要内容四储能技术研究现状及面临的挑战二

储能的分类三储能的发展简史一储能的基本概念五总结与展望2储能技术分类根据能量转换方式的不同形式和工作原理，将其分为机械储能、热、电化学储能、电磁储能和氢储能等五类技术机械储能：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等热储能：显热储能、相变储能等电化学储能：铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池、金属空气电池、液态金属电池等氢储能：电解水制氢、氢储存和氢燃料电池等电磁储能：超导储能和超级电容器储能物理储能化学储能电磁储能固体显热储能抽水蓄能电池储能氢储能超级电容器储能2.1

热质储能热质储能是以热力学、传热学、流体力学、热化学等为主要学科基础，能量以热能方式存储，热能的存储与释放过程通过热能的数量与品位的转变来实现的技术。典型的热质储能技术主要包括显热储热、相变储热、热化学储热、压缩气体储能等。一、显热储能：主要基于物质的热容性质，物质在相态不变的情况下，随着温度的变化会吸收或放出热量。分类：固体显热储能、液体显热储能优点：原理简单、易于调控，无化学反应和相态变化，介质来源广泛、成本低廉、便于规模化应用。缺点：储能密度低、体积庞大、长时存储热损失大、输出温度波动大等。2.1

热质储能二、相变储能：是通过相变材料在相变过程中吸热和放热来实现热能存储和释放的一种热量存储方式。优点：相较显热储热具有更高能量存储密度、在恒温下可存储大量热能等。缺点：导热性差、体积储热密度低、成本较高等。三、热化学储能：是利用可逆的化学反应来实现热能的储存和释放。优点：储能密度高、理论上可实现室温下热能无损存储。缺点：系统复杂、辅助设备多、投资高，仍未发挥出超高单位体积储能密度的优势；化学反应复杂，速率难以精准调控，整体效率较低。2.1

热质储能四、压缩气体储能：是一种通过将电能转换为势能与热能，从而实现能量存储的物理储能技术。与抽水蓄能相比优缺点：建设周期短、环保性好、选址灵活；但储能效率略低。压缩空气储能工作原理示意图2.2

机械储能-抽水蓄能电能与势能之间的可逆转化实现电能的存储和释放最成熟稳定、环保经济的储能方式储能容量大、储放效率高、运行灵活、反应迅速易受地质、水文及气候条件的影响，建设成本高2.2

机械储能-飞轮储能利用高速旋转的飞轮来存储和释放能量瞬时功率大、寿命周期长、能量转化效率高能量密度相对较低、储能容量有限、自放电率较高、制造成本相对较高2.3

电化学储能-铅酸蓄电池

充电放电2.3

电化学储能-锂离子电池具有能量密度高、充放电快、重量轻、续航长、不污染环境、周期长的优点分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。液态锂离子电池有磷酸铁锂电池、钛酸锂电池和三元锂电池，聚合物锂离子电池以软包电池为主正、负极将Li+进行逆嵌入和脱嵌处理，通过Li+在正、负极之间的转移来完成充放电2.3

电化学储能-液流电池适用于固定式大规模储能的装置，是规模储能技术的首选技术之一优点：效率高、寿命长、可深度放电、环境友好等缺点：能量密度低、初装费用比较高等2.3

电化学储能-钠硫电池由固体电解质、熔融金属钠为活性物质的负极、液态硫和多硫化钠熔盐为活性物质的正极组成钠硫电池的理论比能量高达760W·h/kg，无任何自放电现象放电效率接近100%，单节电池容量最高达到650A·h，功率可突破120W2.3

电化学储能-金属空气电池一类特殊的燃料电池，活泼金属作为负极、空气作为正极，通过可逆氧化还原反应实现充放电优点：成本低、无毒、无污染、高比功率、高比能量缺点：电池密封性差、充电效率低、难以存储等2.3

电化学储能-液态金属电池由正离子流体和自由电子气组成的一种不定型金属混合物优点：高倍率、大电流充放电、低成本、长寿命、可满足电网需求等缺点：容易发生液体泄漏导致危险事故2.4

电磁储能超级电容器储能：通过电解质和电解液之间界面上电荷分离形成的双电层电容来贮存电能的技术。优点：有高放电功率和电池的大电荷存储能力，具有功率高、容量灵活等优点。缺点：无法实现缓慢放电、能量密度低超导储能：利用超导材料在不进行能量转换的情况下直接存储电流的技术。优点：可以无损地存储和释放电能，具有高效率、无污染、响应快等优点。缺点：投入成本高、需要维持低温环境等问题。

电磁储能：是一项利用电场和磁场的交互作用来实现能量的存储与释放的技术，包含超导储能和超级电容器储能等技术。2.5

氢储能氢储能是将电能转化为氢能存储，并在需要时重新转化为电能的过程。一、电解水制氢：是通过电能驱动电解过程，将水分解为氢气和氧气，从而得到储存的氢能源按照电解质类型分类:1碱性电解水制氢：采用碱性电解质（如氢氧化钾或氢氧化钠），在电解过程中产生氢气和氧气。优点：技术成熟、成本低廉缺点：能源效率相对较低2质子交换膜（PEM）电解水制氢：采用固体聚合物电解质优点：能源效率高、响应速度块电能电解水制氢、重整制氢、裂解制氢氢能燃料电池2.5

氢储能

2.5

氢储能三燃料电池：是一种将氢气和氧气在电极上发生氧化还原反应产生电能的设备。按照燃料电解质的类型分类：1质子交换膜燃料电池（PEMFC）:由正极、负极和质子交换膜组成，理论上相当于水电解的“逆”装置（图1-11）图1-11质子交换膜燃料电池2.5

氢储能2碱性燃料电池（AFE）：以强碱（如氢氧化钾、氢氧化钠）为电解质、氢气为燃料。3磷酸燃料电池（PAFC）：该电池是一种以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池。4熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）：该电池由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极等构成。5固体氧化物燃料电池SPFC）:该电池由电解质、正极或燃料极、负极或空气极和连接体或双极板组成。主要内容四储能技术研究现状及面临的挑战二储能的分类三

储能的发展简史一储能的基本概念五总结与展望3储能技术的发展简史储能技术的发展历史可以追溯到人类文明的起源，随着能源的需求不断增长，储能技术也经历了从萌芽期到发展初期再到多元化发展期的演变过程储能技术的萌芽可以追溯到人类开始尝试利用简单物理原理来储存能量的时代利用水轮机械装置储存水能古代罗马时期的水坝19世纪末至20世纪初铅酸电池首次实用化电池出现丹聂尔电池和锌碳电池3储能技术的发展简史储能技术在世纪初进入了发展初期，电化学储能技术开始崭露头角。在此阶段，电池逐渐成为主流储能设备，二次电池陆续问世，并广泛应用于各个领域在20世纪初，铅酸蓄电池开始广泛应用于汽车领域；20世纪五六十年代，镍镉电池开始广泛应用于民用领域；20世纪70年代，锂离子电池兴起，并于90年代逐渐商业化；20世纪60年代，燃料电池技术开始得到广泛关注和研究，20世纪90年代，一些燃料电池产品也开始进入市场，如燃料电池汽车、燃料电池备用电源等；此外，机械式储能技术也在此阶段得到了一定的推广3储能技术的发展简史21世纪初，储能技术进入了多元化发展期。

储能技术作为解决可再生能源间歇性和不稳定性的关键手段，在这一时期，受到了广泛关注和研究电池技术成为了储能领域的主要发展方向；其他储能技术如超级电容器、超导储能、飞轮储能、压缩空气储能等也在不断发展和应用；储能技术的研发重点逐渐从单一技术向系统集成和智能化发展转变。例如，通过采用先进的电池管理系统和智能电网技术，实现对电池的精确管理控制和储能系统与电网的高效互动等主要内容四

储能技术研究现状及面临的挑战二储能的分类三储能的发展简史一储能的基本概念五总结与展望4.1储能技术的研究情况储能技术的基础研究。世界储能技术基础研究日趋活跃，中国是全球储能技术研究最为活跃的国家。2023年度中国机构和学者发表了16532篇储能技术相关SCI论文，继续居世界第一，在全世界储能技术相关SCI论文的占比为47.2%。储能技术的关键技术。我国储能技术关键技术的研发取得了重要进展，获得了多个里程碑式的成果，如抽水蓄能、铅蓄电池、储热蓄冷和锂电池技术。集成示范。2023年我国主要储能技术的集成示范均取得了重要进展，取得了多个里程碑成果。4.2储能技术的市场发展与展望储能市场规模。根据中国能源研究会储能专业委员会//中关村储能产业技术联盟全球储能数据库的不完全统计，截至2023年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模289.2GW，年增长率为21.9%。截至2023年底，中国已投运电力储能项目累计装机规模86.5GW，占全球市场总规模的29.5%，同比增长45%。中国储能市场发展规模。自国际可再生能源署（IRENA）在2023年6月提出三倍全球可再生能源装机目标以来，《G20领导人新德里峰会宣言》、《联合国气候变化框架公约》以及中美两国发表《关于加强合作应对气候危机的阳光之乡声明》都明确表示支持2030年全球可再生能源装机增至三倍的目标。4.3储能技术的挑战储能技术未来将向高安全性、低成本、大容量、高效率、数字化、智能化、绿色化、集中式与分布式并举的方向发展，从而在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要的作用。

尽管储能技术取得了巨大的进展，但仍面临着诸多挑战。成本效益。技术成熟度与性能。安全性和环境影响。系统集成和规模化应用。政策与市场机制。主要内容四储能技术研究现状及面临的挑战二储能的分类三储能的发展简史一储能的基本概念五

总结与展望5总结与展望储能技术在实现能源转型、应对气候变化、提升能源安全性等方面具有重要意义。展望未来，储能技术将继续向着更高能量密度、更长循环寿命、更低成本和更高安全性的方向发展。随着科技进步和产业创新，储能技术将会更加普及和成熟，为能源转型和可持续发展提供更多可能性和支撑。在电化学储能领域，电池储能系统在电动车、家庭储能和工业应用等有更广泛的应用前景。氢储能技术也备受关注，特别是在长期、大规模能量存储和能源转换方面具有独特优势。热技术特别适用于太阳能和地热能等可再生能源的存储和利用。机械储能技术在提高系统响应速度和调度能力方面具有独特优势，适用于大规模能量存储和电网调度第二章热质储能《储能导论》教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材主要内容四热化学储能二显热储能三相变储能一

热质储能的技术基础五蓄冷1.1热质储能的技术基础-热力学基础热力学第一定律：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变，它适应于一切工质和一切热力过程。闭口系统：与外界只有能量交换而无物质交换，系统内的质量保持恒定不变，所以闭口系统又叫做控制质量系。工质从外界吸入热量Q后，从状态1变化到状态2，同时对外界做功W，热力学能的增量为ΔU。（忽略动能和位能的变化）可表述为：开口系统：与外界有能量交换和物质交换，通常在某一划定的空间范围内进行，所以开口系统又叫做控制容积系或控制体。稳定流动、单股流体进出时：1.1热质储能的技术基础-热力学基础克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。热力学第二定律：阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律。开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。热泵装置的热力学循环可以将热量从低温物体传递到高温物体，但它是花了代价而非自发进行。“不留下其他任何变化”：包括对热机内部、外界环境及其它物体都不留下其他任何变化。热量㶲：冷量㶲：1.1热质储能的技术基础-热力学基础根据热力学第一定律，闭口系统能量方程式反映出热力状态变化过程中热能和机械能的转化；开口系统能量方程式虽然与闭口系统的形式不同，但涵义相同。能量效率：

Eu：收益的能量；Ep：支付的能量Ex,u：收益的㶲；Ex,p：支付或耗费的㶲㶲效率：热力学效率工质流经（燃）汽轮机/压气机等动力机械时：工质流经锅炉、回热器等热交换器时：能量方程1.2热质储能的技术基础-流体力学基础连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体数学表达，也称为质量守恒方程。连续性方程：控制体及控制面上的速度和密度单位时间内控制体中流体质量的增量等于通过所有控制面净流入的质量流量，则有：矢量形式：1.2热质储能的技术基础-流体力学基础欧拉方程由瑞士科学家欧拉首先建立，是理想流体的运动微分方程。欧拉方程：质量系统及作用在质量系统上的压强矢量形式：根据动量定律：y方向：z方向：x方向：伯努利方程是在定常流动、理性流体、均质不可压缩流体、重力是唯一的质量力、沿着流线积分等特定条件下由欧拉运动方程所求出的代数方程形式的解。质量系统及作用在质量系统上的压强欧拉方程：定常流动：重力作用下：伯努利方程：

或1.2热质储能的技术基础-流体力学基础黏性在运动流体之间及流体与固体壁面之间形成摩擦，从而把一部分运动机能转换为热能。另外，当黏性流体在运动中遭遇局部障碍产生旋涡，也会造成机械能的减少。在黏性流体的运动中，总水头沿着流线逐渐减小。设点1为上游点，点2为同一流线上的下游点，则对于黏性流体，伯努利方程被修正为：

1.2热质储能的技术基础-流体力学基础热传导又称导热，指的是在物体各部分保持相对静止（相互之间无宏观位移）的前提下，依靠微观粒子（分子、原子、自由电子等）的热运动进行的热量传递方式。λ：表征物质导热能力大小/W/(m·K)单位时间内通过单位传热界面积的热流密度，正比于界面垂直方向上的温度变化率，即：在笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般形式为：ρ：密度/kg/m3；c：比热容/J/(kg·K)；τ：时间/s；Φ：内热源强度/W/m3。在圆柱坐标系与球坐标系，其方程形式分别为：1.3热质储能的技术基础-传热学基础热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。按照引起流体流动的原因，对流传热可区分为自然对流传热与强制对流传热两大类。自然对流是由于流体各部分之间密度差并在体积力作用下而引起的相对运动。强制对流是由于机械（水泵或风机等）的作用或其他压差而引起的相对运动。另外，对流传热又可分为单相对流传热和相变对流传热。工程上常遇到液体在热表面上沸腾及蒸气在冷表面上凝结的对流传热问题，分别简称为沸腾传热及凝结传热，它们是伴随有相变的对流传热。对流传热的基本计算公式是牛顿冷却公式：h：称为表面传热系数/W/(m2·K)；A/与流体接触的固体壁面面积/m2。Δt：壁面与流体温度的温差，取正值。1.3热质储能的技术基础-传热学基础适用于流体自然对流传热的特征数方程为：大空间自然对流有限空间自然对流竖直夹层：水平夹层（底面向上散热）：努塞尔数：普朗特数：格拉晓夫数：1.3热质储能的技术基础-传热学基础管槽内的强制对流在湍流传热过程中，当Ref=104~1.2×105，Prf=0.7~120时，其传热实验关联式为：在层流传热过程中，当Ref<2200，RefPrfd/l>10，Prf>0.6时：外掠物体时的强制对流流体纵掠温度均匀平板时的层流强制对流时，局部表面传热系数hx和平均表面传热系数hm的准则方程为（适用范围为0.6<Pr<50，Re<5×105）：当流体横向掠过单管时，传热试验关联式为：1.3热质储能的技术基础-传热学基础凝结传热竖壁层流（Re＜1600）膜状凝结的平均表面传热系数为：由于管径一般不很大，所以蒸气在水平圆管外膜状凝结液膜一般为层流，其平均凝结表面传热系数为：沸腾传热热流密度的峰值qmax有重大意义，它被称为临界热流密度，点C称为临界点。1.3热质储能的技术基础-传热学基础辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。在外界投射到物体表面的总能量Q中，一部分能量Qα被物体吸收，另一部分能量Qρ被物体反射，其余部分能量Qτ穿透物体。按照能量守恒定律有：其中Qα/Q、Qρ/Q、Qτ/Q分别称为该物体的吸收比α、反射比ρ和穿透比τ。于是有：固体和液体对热辐射不能穿透，即τ=0，气体对热辐射几乎没有反射能力，即ρ=0。1.3热质储能的技术基础-传热学基础黑体表面间的辐射换热把吸收比α=1的物体称为全辐射体（简称黑体）。物体的辐射力E与同温度下黑体的辐射力Eb之比值称为该物体的发射率或黑度，即：黑体的辐射力与温度的关系，即斯忒藩-玻耳兹曼定律：两个黑体表面之间的净换热量Φ1,2为：在热平衡条件下（T1=T2）：σ：斯忒藩-玻耳兹曼常量；C0：黑体辐射系数，为5.67W/(m2·K4)；b：黑体。对非黑体及不处于热平衡条件下：1.3热质储能的技术基础-传热学基础灰体表面间的辐射换热在热辐射理论中，把光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。两个灰体间的辐射传热量为：表面1的有效辐射为：表面1以辐射方式损失的净传热量q1为：假设表面1为灰体α1=ε1，则：表面辐射热阻两个灰体间的辐射传热量为：空间辐射热阻1.3热质储能的技术基础-传热学基础主要内容四热化学储能二

显热储能三相变储能一热质储能的技术基础五蓄冷2.1显热储能技术-原理显热储能是通过调控物质温度实现热能存储和释放的技术特点是在储热与放热过程中不牵涉相变或化学反应。显热储能量/J：材料的比热容单位温升单位质量的储热密度材料使用温度范围储热的运行温度适用范围c：储热材料的比热容/J·kg-1·℃-1Th,Tl：材料储热过程中最高、最低温度/℃温度/℃储热量Q储热过程2.2显热储能技术-材料常见的显热储热材料固体类镁砖花岗岩铸铁混凝土液体类水导热油熔融盐液体金属每种物质都具有显热储能能力，理论上均能作为显热储能材料。在实际中，显热储能材料需要综合考虑热物性、稳定性、经济性等因素。高比热容高导热系数循环稳定性工作温度范围与管材的相容性……储热密度高储放热速率快长寿命储热场景安全性与成本……2.2显热储能技术-材料储热材料使用温度范围，°C平均密度，kg/m-3平均比热容，J/(kg·K)平均导热系数，W/(m·K)体积储热密度，kWh/(m3·K)水0~100100042000.581.17矿物油200-30077026000.120.56合成油250-35090023000.110.58硅油300-40090021000.100.53液钠270-530850130071.00.31Hitec142-535189915600.720.82SolarSalt220-600183714950.420.76MgCl2-KCl500-700157310070.440.44储热材料平均密度，kg/m3平均比热容，J/(kg·K)平均导热系数，W/(m·K)体积储热密度，kWh/(m3·K)硅土182010001.50.51石英岩25008305.60.58碳化硅陶瓷32107501200.67高温混凝土27509161.00.70氧化铝陶瓷3750780300.81铸钢780060040.01.30铸铁790083729.31.84常见固体储热材料热物性常见液体储热材料热物性2.3显热储能技术-设备液体显热储能设备双罐液态显热储能系统包含两个储罐，分别用于存储高温和低温液态储热材料根据冷热液体材料是否存储在同一罐体中，可分为双罐储热与单罐储热单罐液态显热储能仅有1个储罐，高温和低温的液态储热材料同时存储在罐体中2010年，意大利阿基米德5MW槽式CSP电站运行，成为世界上首个使用同时将熔融盐双罐储热的光热电站储热形式：双罐熔盐传热介质：太阳盐储热介质：

太阳盐熔盐罐尺寸：直径13.5m，高6.5m储热时间：8h

温度范围：290ºC-550ºC2.3显热储能技术-设备固体显热储能设备鉴于固体介质在输送上的不便，通常需借助换热流体来实现热量的传输

显热储能设备的换热计算一般包含如下过程：①根据设备类型、材料、运行条件与物理过程确定物理模型；②建立可描述该物理模型的质量方程、动量方程与能量方程等控制方程组，以及确定边界条件与初始条件；③利用数学分析方法或数值方法求解控制方程组，获得储热装置中温度、压力、流量等关键物理量④计算获得储热量、储热功率、储能效率等参数。流体通道嵌入式插入式平行板式填充床式2.4典型显热储能应用-光热电站熔盐储热储热过程是解决太阳能间歇性和波动性的关键环节，可靠、成本低廉大规模储热技术是光热发电技术的巨大优势。目前光热电站采用的储热形式为双罐熔盐储热。装机规模：100MW，塔式并网时间：2018年12月28日储热介质：

熔盐，双罐储热时间：11h首航节能敦煌100MW熔盐塔式光热发电项目光热发电系统由聚光集热子系统、储换热子系统和动力循环子系统组成；储换热子系统包括冷热熔盐储罐、冷热泵和换热器。熔盐既是传热流体也是储热介质。2.5典型显热储能应用-跨季节储热在非采暖季，将收集到的热能储存于大容量储热体中储热过程聚光集热夏季在采暖季将热量提取出来，输入供热热网中，为用户供热放热过程冬季集中供热QQ热水储热砂砾-水储热土壤储热含水层储热跨季节储热形式跨季节储热技术可以有效解决能源供需在时间上的不匹配，搭配太阳能系统，可以有效避免太阳能的间歇性缺点，为农村采暖、煤改清洁能源、区域能源供给提供新的技术路线。主要内容四热化学储能二显热储能三

相变储能一热质储能的技术基础五蓄冷3.1相变储能技术-原理相变储能是一种利用相变材料储热特性,来储存或者是释放其中的热量的技术特点是化学性能稳定、能量存储密度高及经济性好。潜热量/J：熔化热相变材料固相变为液相时的相变热温度/℃储热过程o时间放热过程cp,s，cp,l：材料在固、和液状态下的比热/J·kg-1·K-1Hs-1：熔化潜热/J·kg-1，Tm：熔化温度/K选择质量合适、比热容高的材料以储存更大量热能3.2相变储能技术-材料相变材料的分类相变材料分为有机、无机、共晶和复合相变材料。典型相变材料的使用取决于所需的温度范围、热源的可用性和自主性。相变材料的选择标准3.2相变储能技术-材料不同相变材料的有效性质有机相变材料无机相变材料共晶相变材料复合相变材料化学性能稳定等温熔化适合金属无相偏析优点缺点优点缺点优点缺点优点缺点低潜热易燃体积变化大低导热系数高导热系数高潜热不易燃准确熔点高体积膨胀不与金属兼容熔点不一致化学性不稳定体积变化小热力性不稳定高蓄热密度准确的熔点过冷小化学性稳定高成本传热率低相变渗漏热力性稳定高导热系数高蓄热能力低过冷效果高成本不可购买制备过程复杂3.3相变储能技术-设备蓄热过程结构分类通过开发与蓄-放热过程协同运行的相变蓄热结构，进行许多不同的存储几何形状和热交换器的结构设计。蓄-放热过程协同运行的多种相变蓄热结构相变材料蓄-放热的不同传热过程3.4相变储能技术-强化措施相关传热增强方法①增强PCM和HTF之间的换热面积（翅片或热管）；②提高PCM的热导率（多孔材料和纳米粒子）；③增大换热温差（梯级蓄热）。典型翅片结构设计仿生翅片设计纳米复合相变材料的制备过程3.5相变储能技术-供暖方案实例西安年日平均温度分布图建筑物供暖逐日供热量模拟分布式蓄热供暖机组使用模式项目采暖建筑面积为36000m2，建筑物层高3.3m，建筑物使用功能为办公。冬季单位面积热负荷指标为50W/m2，总热负荷为1500kW。供暖天数为120天考虑，日供暖时间为8时至20时。基于西安城市气候条件和峰谷电价计算储热及热源，并进行加热功率计算。主要内容四

热化学储能二显热储能三相变储能一热质储能的技术基础五蓄冷4.1热化学储能技术-原理热化学储能是利用储能材料可逆化学反应的反应焓进行储/释能的技术；特点是在储能与释能过程中存在化学反应。温度/℃储热过程热化学储能量/kJ：反应焓在定温定压下的化学反应前后焓差ΔHr：化学反应焓变，即反应焓/kJ·mol-1X：反应转化率/-，n：反应物摩尔数/mol反应焓高

载能体材料储能密度大热化学储能量Qchem4.1热化学储能技术-原理与显/潜热储能技术相比，热化学储能技术在储能周期、能量密度等方面具有显著优势；但是在储能规模、效率、寿命、技术成熟度等方面仍存在不足。4.2热化学储能技术-材料根据材料体系反应温度不同，热化学储能技术又可分为高温热化学储能技术（>200℃）与中低温热化学储能技术（<200℃）。4.2热化学储能技术-材料反应方程式反应温度/℃反应焓/(kJ/mol)储能密度/(MJ/kg)BaO2↔BaO+0.5O2738750.44Co3O4↔3CoO+0.5O29051950.81Mn2O3↔0.5Mn3O4+0.5O292831.90.20CuO↔0.5Cu2O+0.5O2102579.51.00*反应温度为储能过程反应温度，储能密度基于反应方程式左侧化合物计算得到。金属氧化物热化学储能体系由产生还原态金属氧化物（MxOy）的还原反应与产生氧化态金属氧化物（MxOy-1）的氧化反应构成，其中前者为吸热反应，后者为放热反应。其一般化学反应方程式为：金属氧化物体系代表性材料特性参数*4.2热化学储能技术-材料反应方程式反应温度/℃反应焓/(kJ/mol)储能密度/(MJ/kg)Mg(OH)2↔MgO+H2O32584.21.45Ca(OH)2↔CaO+H2O440111.81.51Sr(OH)2↔SrO+H2O579126.01.04Ba(OH)2↔BaO+H2O988105.00.61氢氧化物热化学储能体系由产生金属氧化物（MO）的脱水反应与产生氢氧化物[M(OH)2]的水合反应构成，其中前者为吸热反应，后者为放热反应。其一般化学反应方程式为：氢氧化物体系代表性材料特性参数**反应温度为储能过程反应温度，储能密度基于反应方程式左侧化合物计算得到。4.2热化学储能技术-材料反应方程式反应温度/℃反应焓/(kJ/mol)储能密度/(MJ/kg)PbCO3↔PbO+CO230088.30.33MgCO3↔MgO+CO2397104.31.24CaCO3↔CaO+CO2890177.01.77SrCO3↔SrO+CO21108234.01.59BaCO3↔BaO+CO21297265.31.34碳酸盐热化学储能体系由产生金属氧化物（MO）的煅烧反应与产生碳酸盐（MCO3）的碳酸化反应构成，其中前者为吸热反应，后者为放热反应。其一般化学反应方程式为：碳酸盐体系代表性材料特性参数**反应温度为储能过程反应温度，储能密度基于反应方程式左侧化合物计算得到。4.2热化学储能技术-材料反应方程式反应温度/℃反应焓/(kJ/mol)储能密度/(MJ/kg)MgH2↔Mg+H227974.52.87NaH

↔Na+0.5H246288.03.67LiH

↔Li+0.5H294788.011.07金属氢化物热化学储能体系由产生金属单质（M）的脱氢反应与产生金属氢化物（MHx）的加氢反应构成，其中前者为吸热反应，后者为放热反应。其一般化学反应方程式为：金属氢化物体系代表性材料特性参数**反应温度为储能过程反应温度，储能密度基于反应方程式左侧化合物计算得到。4.2热化学储能技术-材料反应方程式反应温度/℃反应焓/(kJ/mol)储能密度/(MJ/kg)NH3↔0.5N2+1.5H240066.93.94合成氨热化学储能体系由产生氢气、氮气的氨分解反应与产生氨气的合成氨反应构成，其中前者为吸热反应，后者为放热反应。其化学反应方程式为：合成氨体系特性参数**反应温度为储能过程反应温度，储能密度基于反应方程式左侧化合物计算得到。4.2热化学储能技术-材料反应方程式反应温度/℃反应焓/(kJ/mol)储能密度/(MJ/kg)CH3OH

↔CO+2H214790.182.81CH4+H2O↔CO+3H268820512.81CH4+CO2

↔2CO+2H268624715.43C2H6↔C2H4+H28631384.60C6H12↔C6H6+3H22952052.44C7H14↔C7H8+3H22762052.09有机物热化学储能体系通过对有机物在高温下裂解、重整和气化的方式达到能量存储的目的，多应用于氢气的制备和化石能源的高效利用。有机物体系代表性材料特性参数**反应温度为储能过程反应温度，储能密度基于反应方程式左侧第一化合物计算得到。4.2热化学储能技术-材料反应方程式反应温度/℃反应焓/(kJ/mol)储能密度/(GJ/m3)CaSO4∙2H2O↔CaSO4+2H2O891051.4MgSO4∙7H2O↔MgSO4∙H2O+6H2O1053362.3MgSO4∙7H2O↔MgSO4+7H2O1224112.8MgCl2∙6H2O↔MgCl2∙H2O+5H2O1783232.48CaCl2∙2H2O↔CaCl2∙H2O+H2O174470.6MgSO4∙H2O↔MgSO4+H2O216751.3水合盐热化学储能体系由产生无水盐（Salt）的脱水反应与产生水合盐（Salt∙nH2O）的水合反应构成，其中前者为吸热反应，后者为放热反应。其一般化学反应方程式为：水合盐体系代表性材料特性参数**反应温度为储能过程反应温度，储能密度基于反应方程式左侧化合物计算得到。4.3热化学储能技术-设备固定床反应器固定床反应器，又称填充床反应器，是指在反应器内装填颗粒状固体反应物，形成一定高度的堆积床层，反应流体通过颗粒间隙流过静止固定床层的同时，实现非均相反应过程。移动床反应器移动床反应器是指在反应器顶部连续加入颗粒状或块状固体反应物，固体物料依靠重力作用逐渐下移，最后自底部连续卸出，流体则自下而上（或自上而下）穿过固体床层进行反应。4.3热化学储能技术-设备流化床反应器流化床反应器是指利用流体通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，即流化态，并进行流固相反应过程的设备。回转窑反应器回转窑反应器的工作原理是将固体颗粒送入旋转的反应器，即回转窑，利用反应器旋转时产生的离心力使颗粒分布在壁上，有利于质量和热量的传递。主要内容四热化学储能二显热储能三相变储能一热质储能的技术基础五

蓄冷5.1蓄冷-材料共晶冰：熔点低于0℃的二元无机或有机水溶液，属于液-固相变储能溶液浓度低于共晶浓度时，降温至析冰线后变温凝固溶质溶质的质量分数共晶点温度，℃共晶冰的熔化潜热，kJ/kg氨NH30.33-100175氯化钡BaCl20.22-7.5/蔗糖0.62-14.5/氯化钙CaCl20.32-55212氯化钠NaCl0.23-21235硫酸钠0.04-1.23355.1蓄冷-材料“暖冰”：熔点高于0℃的气体水合物，属于水合物（固）-液相变储能压力高于Q1时，降温至水合物（固）-水（液）相平衡状态时水凝固为水合物5.2蓄冷-设备蓄冷和放冷的换热设备成为蓄冷器按照蓄冷时冰的运动状态，可分为静态制冰和动态制冰典型的卧式球罐静态制冰设备，可储存56吨的由球罐封装的冰，潜热蓄冷能力为5210kWh5.2蓄冷-设备典型的动态制冰设备通过旋转的机械结构，例如刮片，定期剥离在换热管内侧不断产生的冰层通过轴向流动的载冷剂与脱落的冰混合，形成冰浆（iceslurry）5.3蓄冷-系统制冷机组蓄冰罐乙二醇泵板换用户V4V2V1V3V3制冷机组蓄冰罐乙二醇泵板换用户V4V2V1蓄冷过程释冷过程夜晚无用冷负荷时，制冷机组使用低电价，将产生的冷量储存在蓄冰罐，此时阀门V1、V3打开，阀门V2、V4关闭白天冷负荷大于制冷机组容量时，制冷机组与蓄冰罐联合供冷，此时阀门V1、V4打开，阀门V3关闭，阀门V2用于调控蓄冰罐的释冷速率5.4蓄冷-应用案例北京某区域集中供冷总建筑面积为123.23万m2，地上3层，地下1层，建筑高度24m。其中：科研办公约73.94万m2，商业文化娱乐约20.95万m2，其他类型建筑（如普通商业、办公、餐饮等）28.34万m2。供冷总负荷95983kW，设计蓄冷能力270MWh，采用动态制冰（下图）与静态制冰结合的方式蓄冷第三章机械储能《储能导论》教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材主要内容二飞轮储能三重力储能一

抽水蓄能1.1

抽水蓄能原理抽水蓄能是一种以水为储能介质，通过电能与势能的相互转换来实现电能的存储和管理的储能技术。是目前装机容量最大、发展最成熟的机械储能方式抽水蓄能电站通常由上水库，下水库和输水发电系统组成当用户侧电力负荷较低时，将下水库中的水抽到上水库中，将电能转化为重力势能进行储存；当电力需求高时，水流向下水库，激活涡轮机发电1.2水头特性与调峰电量抽水蓄能储存的能量与两个水库之间的高度差和储存的水量成正比。抽水蓄能电站的水头特性主要用以描述该电站的水头值和蓄水量之间的变化规律ZUN和ZLN上水库和下水库的正常蓄水位ZUD和ZLD上水库和下水库的死水位抽水蓄能电站的主要任务是调峰，因而系统能容纳的调峰容量或调峰电量是决定上、下水库容积的主要依据。蓄能库容：h日发电小时数Q发电流量，m3/sK损失系数，＞1

平均水头，mN调峰容量，kWηT发电工况效率1.3系统分类与特点开式系统中有一个上游或下游水库持续连接到自然流动的水源。通常，下水库较大，位于一条大河流上，而上水库较小，位于同一条河流的较高处或位于高支流或平行山谷中。闭式抽水蓄能系统中水同样从高处水库流向低处水库，但水在管道中闭合循环，不与外界接触。优点：技术成熟度高；使用寿命可长达100年，可循环万次以上；能量转换效率高，可达70~80%；装机容量大，持续放电时间长。缺点：电站对选址的地质、地形条件和水环境均具有较高要求；施工工程量大，建设周期往往长达3-5年；投资费用高主要内容二

飞轮储能三重力储能一抽水蓄能2.1飞轮储能原理飞轮储能的工作过程为利用电动机带动飞轮高速旋转，形成动能的储存形式，然后再由飞轮驱动发电机进行能量释放飞轮储能系统的主要部件包括转子系统（飞轮转子）、轴承系统（磁轴承）和能量转换系统（发电机/电动机）飞轮储能系统的能量储存与转换形式为电能—动能—电能能量储存过程中，电动机将电能进行转换，形成飞轮的动能；放电时，飞轮减速，从而带动发电机发电，这个过程将动能转换为电能2.2能量及效率计算飞轮储存能量的大小由飞轮的转速决定实心圆柱或盘式飞轮

空心圆柱飞轮

飞轮的额定功率取决于电动机/发电机和相关电力电子设备的尺寸，额定能量由转子的尺寸和速度决定飞轮储能系统的能量利用率为系统的最大可利用能量与自身所带的最大能量之比2.3应用及特点飞轮应用范围从大规模的电网层面到小规模的客户层面，通过布置飞轮代替大型机器来实现高功率和容量。飞轮的最佳和最合适的应用属于频繁的充放电循环时，短持续时间高功率的工作区域目前飞轮储能系统由于其特性广泛应用于航空航天、电力系统调峰调频以及不间断电源等领域技术特点：①功率密度大，短时间内可输出较大功率，但是持续时间短，通常在分钟级别，是典型的功率型储能技术，适用于提高电能质量、调频等应用前景②能量转换效率高，可达90%以上③使用寿命长，飞轮储能设备可持续使用25年左右④飞轮储能的空载损耗和自放电率高，整个飞轮系统的自放电率约为每小时存储容量的20%，因此无法进行长时间储能是飞轮储能技术的主要缺陷主要内容二飞轮储能三重力储能一抽水蓄能3.1重力储能原理其能量转换采用电能和重力势能之间的转换来实现能量的存储和释放在电力充足时利用电能将储能介质提升到高处，从而将能量转换为重力势能；在释能过程中将介质从高处释放，这时通过重力来驱动发电机组，这个过程可以将重力势能转化回电能所采用的介质主要为水和固体物质3.2储能及效率计算考虑一个质量为m的简单的单一质量系统，并且如果它可以升高和降低垂直距离h，则系统存储的能量E和机械功率可通过右式得到单个重物在竖井中竖直行进的简单情况下，当重物竖直长度为竖井深度的一半时，能获得最大的能量容量重力储能系统与其他储能技术一样，在储能和发电过程中同样会存在能量损耗。主要是由于摩擦、电机以及变流等损耗引起。同时，释能下放时储能介质保留的部分动能也会造成系统的能量损失储能效率为ξp时，将体积为V的储能介质，提送到高度h所需能量如右式3.3应用及特点重力储能系统启动时间较慢，然而该系统的储能容量较大，能够长时间输出能量，且单位能量成本低。采用水为介质的储能系统，在功率和储能容量方面通常不及传统的抽水蓄能系统，但是其优点是具备更短的响应时间，同时具有更灵活的选址能力固体重物型储能系统的类型较多，可以根据容量和功率的不同需求选择不同的类型。该系统由于不依赖水泵和水轮机，所以理论上可以实现更高的储能效率和更短的响应时间。但是在设计重力储能系统时，需充分考虑地形特征和实际需求第4章电化学储能《储能导论》教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材主要内容四

二

三

一

电化学储能基础六

五

锂离子电池钠电池液流电池镍氢电池混合电容器1.1

电化学储能的原理电动势电化学电池各部分相界面的电势差之和构成了电池的电动势。电池总的电动势由电极与电解质溶液之间的电势差（能斯特电势差）、导线与电极之间的接触电势差（接触电势）和由于不同的电解质溶液或同一电解质溶液但浓度不同而产生的液接电势差（液体接界电势）所组成。整个电池的电动势E可表示为：原电池反应：1.1

电化学储能的原理电动势电池电动势也可描述为单位正电荷从电池的负极到正极由非静电力所作的功。当外电路负载时，电动势E与电量Q的乘积即为电功。对于可逆的电化学反应，对外所做的最大非膨胀功W只有电功，则有：根据法拉第定律，则有：1.1

电化学储能的原理自由能

在等温、等压条件下发生的电池反应中，体系吉布斯（Gibbs）自由能的减少等于体系对外所做的最大非体积功，可表示为：电动势与自由能之间的关系

对于可逆电池反应，非体积功即为电功（nEF），则有上式为联系热力学和电化学的主要桥梁1.1

电化学储能的原理Nernst方程

电池反应

cC+dD=gG+hH根据化学反应等温式，上述反应的∆rGm为结合电动势与自由能之间的关系式，则有此式反映了在一定温度下电池的电动势与参与反应的各组分的分活度之间的关系，称为电池反应的Nernst方程。Nernst方程实际上给出了化学能与电能的转换关系。德国物理化学家WaltherHermannNernst(1864–1941)1.2电化学储能的种类第一个商业化的二次电池是1859年法国物理学家GastonPlanté发明的铅酸电池，它的正极活性物质是PbO2，负极是金属铅，电解液是稀硫酸。铅酸电池的质量比能量为35~45Wh/kg，体积比能量为60~110Wh/L，工作电压范围为1.8~1.9V。铅酸电池的优点表现在大电流性能好、可靠性高、价格便宜、耐用、安全性高。缺点能量密度偏低、循环寿命较短、存在自放电、原材料铅是一类有毒物质。1.2电化学储能的种类为实现“高安全性、低成本、长寿命、环境友好”的目标，各类电化学储能技术不断更新迭代，应用场景不断丰富，目前应用或研究较为广泛的新型电化学储能种类包括锂离子电池、钠电池、液流电池、镍氢电池、混合电容器。锂离子电池的应用场景大型液流电池主要内容四

二

三

一电化学储能基础六

五

锂离子电池钠电池液流电池镍氢电池混合电容器2.1锂离子电池锂离子电池工作原理负极正极总反应在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。人们把这种电化学储能体系形象地称为“摇椅式电池”。电压高、能量密度高、安全，循环性好、自放电率小、快速充放电性好、充电效率高、无环境污染、绿色电池2.1锂离子电池锂离子电池材料部件材料材料实例正极嵌锂金属氧化物钴酸锂，镍钴锰三元材料，磷酸铁锂负极低电位可嵌锂化合物石墨，石墨化碳材料和金属氧化物等电解液锂盐、碳酸酯类溶剂，少量添加剂六氟磷酸锂等锂盐；碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯等溶剂；VC，FEC等添加剂隔膜聚烯烃微孔膜PE，PP或它们复合物质外壳包装金属/聚合物复合膜，金属PA/Al/CPP三层复合物，钢壳锂离子电池的关键材料包括负极材料、正极材料、电解液、隔膜和外壳包装五部分重点包括研发高能量密度材料如富锂锰基和高镍三元正极、硅基负极；优化电解液与添加剂；推进全固态电池技术；创新电池结构；发展快速充电和智能电池管理系统；改进制造工艺与设备；建立高效回收体系，以及利用多尺度表征与仿真技术深入理解电池工作机制，是推动锂离子电池技术向前发展的关键领域。锂离子电池技术的未来发展方向聚焦于提升能量密度、安全性和循环寿命，同时追求环境友好和成本降低。磷酸铁锂锰酸锂钴酸锂镍酸锂镍钴锰三元材料化学式LiFePO4LiMn2O4LiMnO2LiCoO2LiNiO2LiNixCoyMn1-x-yO2理论比容量(mAh/g)170148286274274278实际比容量(mAh/g)130-140100-120200135-140190-210155-165电压(V)3.2-3.73.8-3.93.4-4.33.62.5-4.13.0-4.5循环性(次)>2000>500差>300差>800过渡金属非常丰富丰富丰富贫乏丰富贫乏环保性无毒无毒无毒钻有放射性镍有毒钴、镍有毒安全性能好良好良好差差尚好适用温度(°C)-20~75>50快速衰减高温不稳定-20~55N/A-20~55锂离子电池正极材料2.2锂离子电池正极材料在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料。二者相对钴酸锂具有更强的价格优势，具有优秀的热稳定性和安全性。在通讯电池领域，三元材料和镍酸锂是最有可能成为替代钴酸锂的正极材料。三元材料相对钴酸锂具有比价优势和更高的安全性，而镍酸锂容量更高。锂离子电池负极材料2.3锂离子电池负极材料石墨负极钛酸锂负极硅负极锡基负极理论比容量(mAh/g)3721754200992实际比容量(mAh/g)300-350150-1601000-1500500-800体积膨胀率<10%<1%300-400%200-300%循环稳定性好极好较差一般倍率性能中等极好较好一般成本低中等高中等安全性好极好较好较好电压(V)0.1-0.21.5-1.60.2-0.30.1-0.2寿命500-1000次>10000次300-500次500-1000次环境友好性好极好较好较好技术成熟度高中等较低较低当前锂离子电池负极材料主要包括石墨、钛酸锂和硅基材料等。石墨因其良好的电导率和层状结构成为最常用的材料；钛酸锂以优异的循环稳定性和安全性著称，但能量密度较低；硅基材料具有极高的理论比容量，但需解决材料粉化问题。锂离子电池电解液与隔膜2.4锂离子电池电解液和隔膜当前锂离子电池电解液主要由溶剂、锂盐和添加剂组成。溶剂方面，常用的有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）等。EC能形成稳定的SEI膜，提高电导率，但粘度较高，低温性能差；DMC等则粘度低，低温性能好，但挥发性高，安全性有待提升。一般采取复配方式综合各溶剂优点。锂盐方面，六氟磷酸锂（LiPF6）最为常见，电导率高，电化学稳定性好，但热稳定性较差；LiFSI和LiTFSI等新型锂盐则热稳定性更好，能提升高温性能和抑制锂枝晶，但成本较高。添加剂方面，各种功能性添加剂能改善电解液的性能，如提成膜添加剂、防过充添加剂、阻燃剂等。当前锂离子电池隔膜材料主要是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）及其复合膜。这些材料具有良好的机械强度、化学稳定性和电绝缘性，能够有效隔离正负极，防止短路，同时允许锂离子自由通过。然而，它们的机械热稳定性较差，在高温下可能收缩，导致电池短路甚至起火。因此，研究人员正在开发如聚酰亚胺（PI）、陶瓷涂层隔膜等新型材料，以提高隔膜的热稳定性和安全性，同时保持其良好的离子传输性能。锂离子电池中的电解液和隔膜分别扮演着离子传导和电子绝缘的关键角色。2.5锂离子电池产品和制造锂离子电池制造正、负极混料正、负极涂布正、负极模切叠片/卷绕电芯注液电芯化成电芯二封成组软包电池纽扣电池圆柱电池薄膜电池方壳电池常见锂电池外形锂电池制造流程主要内容四

二

三

一电化学储能基础六

五

锂离子电池钠电池液流电池镍氢电池混合电容器3.1

钠离子电池已探明锂资源分布(2021)锂矿和锂盐湖资源已作为一种国家战略储备资源；全球钠储量非常充足且不受地域限制。（0.0017%vs.2.3%）。钠与锂同属第一主族元素，钠离子电池具备与锂离子电池相似的理化特性与电化学工作原理，锂电的产线设计稍作调整便可用于生产钠离子电池。钠离子电池用稳定性更好的铝箔做负极集流体，可以实现0V运输，降低电池运输的安全风险。钠离子电池主要应用方向集中在低成本的储能领域与低速电动车。全球已有几十家家企业致力于钠离子电池的研发，主要包括英国Faradion公司，美国NatronEnergy，日本丰田、松下、三菱化学等公司；国内主要包括宁德时代、中科海钠、浙江钠创新能源等公司3.1钠离子电池主要电解液成分：钠盐以六氟磷酸钠(NaPF6)为主，该盐的合成路线与六氟磷酸锂(LiPF6)较为相似，配套的生产线也可以直接使用，也可使用高氯酸钠(NaClO4)、三氟甲磺酸钠(NaCF3SO3);溶剂通常为碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和乙二醇二甲醚等一种或者多种的混合物。主要正极材料：i)层状过渡金属氧化物NaxMO2(M=Ni,

Fe,

Mn,

Co,

Cr);ii)普鲁士蓝类化合物NaxMA[MB(CN)6]y·zH2O

(MA和MB为过渡金属元素);iii)聚阴离子化合物NaxMy(XO4)(M=Fe,V,Ni,Co等，X=S,P,Si,Mo,W)。主要负极材料：i)碳基材料，主要是无定形碳材料，已率先实现产业化ii)嵌入型钛基材料，包括Na2Ti3O7,

NaTi2(PO4)3,

NaTiOPO4;iii)有机类类化合物，包括羰基化合物,席夫碱化合物,有机自由基化合物，有机硫化物等;iv)合金类材料，包括锡(Sn),锑(Sb),锗(Ge),磷(P)等。比容量/mAhg-1工作电压/Vvs.Na+/Na比容量/mAhg-1工作电压/Vvs.Na+/Na3.1钠离子电池铅酸电池锂离子电池(磷酸铁锂正极)锂离子电池(层状三元正极)钠离子电池能量密度30-50Wh/kg120-200Wh/kg200-300Wh/kg100-160Wh/kg循环寿命300-500次≥5000次≥3000次≥3000次工作电压2V3-4V3-4.5V2.8-3.5V安全性优良较差优环保性差良良优高低温差较差差良应用场景储能、低速车、启停储能、电动车、启停电动车储能、低速车多款钠离子电池产品(宁德时代)(力神)(中科海钠)3.2高温钠硫电池理论比能量高(760Wh/kg)，实际可达150Wh/kg,具有100%的充放电效率，可在短时间内（20-30min）完成充电，有较长的利用寿命在300°C下，硫正极(S)活性经历了从Na2S5、Na2S4到Na2S3的变化，理论比容量约为558mAh/g。

进一步放电将生成熔点高达475°C的Na2S2绝缘层，阻碍电池反应。需要额外的加热设备，带来能量的损失，且对保温材料的要求较高。熔融多硫化物具有一定的腐蚀性，存在较大的安全隐患。3.3

高温钠-金属氯化物电池与高温钠硫电池结构类似，正极为添加了NaAlCl4的过渡金属及其相应的金属氯化物电池组成材料无低沸点、高蒸汽压物质，安全性方面优于高温钠硫电池电池本身具有过充、过放电保护机制。为避免使用极易吸水的NiCl2,该类电池通常以放电态组装，仅在正极腔室装填金属粉体、氯化钠和电解液，制造过程安全性高。开路电压较钠硫电池提高20%以上。已实现商品化，目前生产商主要有美国通用电气、欧洲FZSonickSA和中国上海奥能瑞拉能源科技有限公司。正常充放电：Ni+2NaCl⇌NiCl2+2Na(300℃)过充电：Ni+NaAlCl4

→2Na+2AlCl3+NiCl2过放电：3Na+NaAlCl4→4NaCl+Al高温Na//NiCl2电池储能单元(分别来自FZSonickSA和海奥能瑞拉能源)主要内容四

二

三

一电化学储能基础六

五

锂离子电池钠电池液流电池镍氢电池混合电容器4.1

液流电池水溶液电解液：不燃，电池无起火问题，具有天然的安全属性。配置灵活：电解液的储量和浓度决定着电池的容量，电堆的数量决定着电池的输出功率，因此功率和容量可独立设计，扩容性强，可根据项目需求来灵活配置，易于模块化设计、系统集成和放大。循环寿命长：电池充放电循环次数在15000次以上，使用寿命在15~20年。可深度放电：100%充放电，且能耐受大电流充放，适合大电流快速充放电。通过更换电解液能实现电池的“即时充电”，具备快速响应的特性。易于热管理：电解液的流动有利于电池系统的热管理，传统电池无法做到。原料自主可控：我国钒资源储备量和钒产量均为全球第一。正极反应:VO2++2H++e-VO2++H2OE0=1.0V⇌放电充电负极反应:V2+-e-V3+E0=0.25V⇌放电充电总反应:VO2++2H++V2+VO2++H2O+V3+ΔE=1.25V⇌放电充电全钒液流电池电解液温度≥40℃，正极电解液中的五价钒离子易脱水缩合，析出V2O5

固体沉淀:[VO2·3H2O]+VO(OH)3+H++H2O2VO(OH)3V2O5·3H2O(ↆ)电解液温度≤10℃，V2+、V3+、VO2+容易在硫酸中析出结晶。4.1

液流电池对工作温度要求苛刻：全钒液流电池的适宜的工作温在度10~45℃，不适合在极端环境中工作运行能量密度低：受钒离子溶解度等限制(钒离子:1.7M,H2SO4：2-3M)，全钒液流电池的能量密度较低(25Wh/L)初装成本高：隔膜、电堆、电解液等材料成本较高；阳离子交换膜阻钒性略差；阴离子交换膜导电率低

体积过大：不易搬运，相同储能容量下，全钒液流电池沉重、庞大，不易搬运，储能电站占地面积较大全钒液流电池瓶颈问题(日本大阪)(英国泽西岛)(美国华盛顿州)(德国巴登)(中国合肥)(中国北京)(中国长沙)(中国大连)全球主要的全钒液流电池生产商4.2

其他类型液流电池铁铬液流电池正极：Fe2+

⇌Fe3++e−(0.77Vvs.SHE)负极：Cr3++e−⇌Cr2+(-0.41Vvs.SHE)总反应：Fe2++Cr3+

⇌Fe3++Cr2+(1.18V)锌溴液流电池正极：2Br−

⇌Br2+2e−(1.076Vvs.SHE)

负极：Zn2++2e−

⇌Zn(-0.76Vvs.SHE)

总反应：Zn2++2Br−

⇌Zn+Br2(1.836V)锌铁液流电池（碱性）正极：Fe(CN)64−

⇌Fe(CN)63−+e−(0.33Vvs.SHE)负极：Zn(OH)42−+2e−

⇌Zn+4OH−(-1.41Vvs.SHE)

总反应：Zn(OH)42−+2Fe(CN)64−

⇌Zn+2Fe(CN)63−+4OH−

全铁液流电池（酸性）正极：Fe2+

⇌Fe3++e−（0.77Vvs.SHE）

负极：Fe2++2e−⇌Fe(-0.44Vvs.SHE)总反应：3Fe2+

⇌2Fe3++Fe(1.21V)其他类型液流电池主要内容四

二

三

一电化学储能基础六

五

锂离子电池钠电池液流电池镍氢电池混合电容器5.1镍氢电池第一阶段：可行性研究（20世纪60年代末—70年代末）第二阶段：实用性研究（20世纪70年代末—80年代末）第三阶段：实现产业化（20世纪90年代初—至今）动力系统储能应用在碳中和大背景下，能源结构转型进入加速阶段，高比例可再生能源必将引发电力系统对储能长期、持续的需求绿色环保工作温度范围宽耐过充过放安全性好生成污染环境的副产物。5.2镍氢电池关键材料Ni/MH电池正极主要是镍电极。根据晶体结构分类，分为α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2，对应的充电态分别为γ-NiOOH和β-NiOOH，四种不同相结构之间能够相互转化。β-Ni(OH)2α-Ni(OH)2晶型Ni的平均氧化态密度/gmL-1a0/nmc0/nmα-Ni(OH)2+2.252.820.3020.76~0.85β-Ni(OH)2+2.253.970.3120.4605β-NiOOH+2.904.680.2810.486γ-NiOOH+3.673.790.2820.69Ni(OH)2的制备工艺（根据制备原理分类）镍盐或镍络合物与苛性碱在控制温度、流量、反应时间、搅拌强度及pH值等条件下，发生化学沉淀反应，生成高结晶型的球形Ni(OH)2颗粒在外加电流的作用下，金属镍阳极氧化成Ni2+，水分子在阴极上还原。析氢产生OH-，生成Ni(OH)2沉淀袋(盒)式正极制备工艺烧结板式正极制备工艺泡沫式/纤维式正极制备工艺工艺简单、能耗少、粒度可控转化率有限工艺易控制、设备简单操作方便，能实现零排放生产纳米技术正极制备工艺常用的Ni(OH)2改性方法元素掺杂表面处理α-Ni(OH)2化学沉淀法粉末金属法电解法生成污染环境的副产物总电流效率低，存在阳极镍粉污染以粉末状金属镍为原料，在适当条件下氧