《储能导论》-课件-第3-5章-机械储能、电化学储能、电磁储能

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

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电化学储能基础六

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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

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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

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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

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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

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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，在适当条件下氧化水解反应来制备Ni(OH)2制备的β-Ni(OH)2纯度高有害杂质少5.2镍氢电池关键材料商业采用KOH的水溶液作为电解液，也会加入少量LiOH和NaOH工业用隔膜种类优点缺点尼龙纤维亲水性好，吸碱量大化学稳定性略差聚丙烯纤维化学稳定性好，机械强度高吸碱率低维伦纤维吸碱率高耐碱性，耐氧性一般电解液密度溶液中物质的质量分数%循环寿命高倍率放电特性质KOHNaOHLiOH(1C/0.2C×100%)1.310000700901.378202900871.178202350831.278202850861.478202900871.578202450861.39802850891.388102850881.368302950861.358402800751.380200800891.378202900881.376204900851.37520585086厚度均匀性定量透气度力学强度织物密度孔隙率孔的尺寸与形状寿命吸碱速度隔膜评价指标吸液保液能力电学性能耐电解液腐蚀胀缩率面密度电杂质含量传统镍氢电池的电解质一般为KOH水溶液，具有安全性能高、不易燃、离子电导率高、便于运输和成本低等特点不同成分电解质电池在70℃循环50次后的镍电极表面SEM图（a）EK=6MKOH+2wt.%LiOH；（b）ENa=6MNaOH+2wt.%LiOH；（c）EK+B=6MKOH+2wt.%LiOH+4wt.%NaBO2；（d）ENa+B=6MNaOH+2wt.%LiOH+4wt.%NaBO2，不同温度下的循环性能图（e）25℃;（f）70℃隔膜种类碳化处理聚丙烯膜三醋酸纤维改性膜氧化处理聚烯烃膜聚丙烯接枝膜透气率mL/(cm2s)18~2321~2832~4348~57保液率/%158~198165~221198~248246~297电池内阻/mΩ2.7~3.12.4~2.82.2~2.71.9~2.3电池寿命/循环次数620660680710MH-Ni电池中使用的隔膜主要是沿用镉镍电池用隔膜，有尼龙纤维、聚丙烯纤维和维纶纤维电池隔膜等KarwowskaM,FijalkowskiKJ,CzerwinskiAA.Materials(Basel),2019.12(24).5.2镍氢电池关键材料种类典型合金氢化物储氢容量(wt.%)理论放电容量(mAh/g)优点缺点AB5LaNi5LaNi5H61.4348资源丰富低容量AB2TiMn2TiMn2H21.9482容量高活化能低ABTiFeTiFeH21.9536容量高，性能稳定自放电大A2BMg2NiMg2NiH43.6965资源丰富，容量大稳定性差V基VTiVTiH22.0420容量高活化能低，成本高A7B23型晶体结构示意图；（b）P-C-I曲线；（c）合金的放电容量典型AB5型储氢合金的晶体结构

镍氢电池用宽温贮氢合金产品C14(a)和C15(b)Laves相的晶体结构RE-Mg-Ni基超晶格合金结构镍氢电池的负极合金由具有亲H性的A元素和疏H性的B元素组成。根据A-B比的不同，目前已开发出AB5型储氢合金、AB2型Laves相合金、Mg基储氢合金、V基固溶体储氢合金、A2B7型储氢合金、AB3型储氢合金和稀土(RE)-Mg-Ni基超晶格储氢合金等主要内容四

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锂离子电池钠电池液流电池镍氢电池混合电容器6.1

混合电容器混合电容器是一种相对较新的设备，其能量密度介于二次电池和超级电容器之间，同时原则上提供类似超级电容器的功率和可循环性值。混合电容器通常由用于高电荷存储容量的电池型电极和用于快速充电的超级电容器型电极组成。超级电容器二次电池高功率密度长循环寿命高能量密度6.1

混合电容器“手风琴”机制：充电时，电解质中的阳离子和阴离子分别被分离到负极和正极。电解液的浓度在充放电过程中会发生波动。“摇椅”机制：充电时，阳离子从正极脱嵌并吸附在负极表面，反之亦然。混合机制：在充电过程中，阳离子从正极脱嵌，正极中所含的电容器型材料（如活性炭）从电解质中吸收游离阴离子，而从正极脱嵌并由电解质提供的所有阳离子都嵌入负极。6.2混合电容器关键材料活性炭（AC）：是混合电容器中最具代表性的一种电容型材料。其作为正极时，主要发生阴离子（如PF6-、ClO4-等）的吸附和脱附。其具有多孔结构、低成本和化学稳定性等优势，已被广泛用于混合电容器。制备：活性炭或多孔碳可以从各种前驱体中获得，包括生物质、金属有机骨架和聚合物。通常需要物理（CO2、水蒸气或混合蒸气气氛）或化学蚀刻（KOH、ZnCl2、和HNO3）活化过程。结构-性能调控：活性炭的性能在很大程度上取决于其结构参数，其中最关键的因素是多孔结构（比表面积、孔径、孔容和孔构型）、杂原子掺杂、表面官能团和石墨化程度。电容型代表材料：活性炭6.2混合电容器关键材料硬碳（HC）：也被称为“不可石墨化碳”，它含有弯曲的石墨烯片，即使在高于3000℃的温度下，也无法展开或压平以进一步堆叠成石墨。HC的不可化学化性质被认为源于前驱体的层间交联，或共价键C-O-C键的存在。储能机理：HC的边缘和缺陷为碱金属离子的吸附提供了活性位点，具有弯曲、平行和扩展层的石墨畴为碱金属离子的插入提供了空间，封闭的孔隙也为准金属碱金属团簇的形成提供了可能。结构-性能调控：合理的材料设计可降低缺陷并提高性能，使硬碳负极在实际应用中更具吸引力。对前驱体进行必要的预处理可以消除杂质，提高的结构有序性。热解过程对结构的形成至关重要。通过不同的技术引入表面涂层，可减少比面积、改善初始库伦效率和提高循环性能。电池型代表材料：硬碳开孔位置的吸附缺陷位置的吸附石墨畴层间的嵌入闭孔中准金属碱金属团簇的填充6.3混合电容器应用混合电容器是一种超级电容器和二次电池“内部交叉”的新型储能器件，它兼具了超级电容器和二次电池优良特性，具有能量密度大、功率密度高、循环性能好等优点。“手风琴”机制的混合电容器的容量由电容型材料（AC）的容量决定，其能量密度一般仅为超级电容器的2~3倍。具有混合机制的混合电容器这种结构克服了“手风琴”机制中电容型（AC）容量不足的弊端，能够进一步提升产品的能量密度，但能量密度仍不会超过二次电池。而这种追求更高能量密度的具有混合机制的混合电容器往往以牺牲功率密度和循环寿命为代价。此外，混合电容器在高功率输出情况下容易导致过热，降低其使用寿命甚至会产生安全隐患。混合储能系统在电动汽车上的应用混合储能系统在电网储能上的应用第五章电磁储能《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

超级电容器储能二

三

电感储能一

电磁储能技术基础

传统电容器储能五

超导储能六

电磁储能技术前沿与应用5.1

电磁储能技术基础电磁储能是一种利用电磁场能量转变来储存能量的技术，主要涉及将电能转化为电场能或磁场能，并在需要时再将这些能量转回电能。电磁储能通常包括电容储能、电感储能、超级电容器和超导磁储能。电磁储能具有响应速度快、功率密度高、寿命长等优点。脉冲储能电容器电感储能超级电容器储能超导储能5.1

电磁储能技术基础电容储能：当电容器与电源接通时，电源会向电容器充电，引起两极板之间的电介质产生极化，使得电容器两极板之间存在电位差，同时电荷在两极板上积累，从而将电能转化为电场能量储存于电容器中。当电源断开时，电容器能够保持储存的电荷和电场能量，直到需要释放能量为止。电感储能：通过电感器（线圈）来实现。当电流通过线圈时，会在其周围产生磁场，从而以磁场能的方式储存能量；超级电容器：通过双电层或者赝电容的方式储存电荷，其电荷存储能力远高于传统电容器。常用于需要高能量快速能量释放的应用；超导磁储能：利用超导体制成的线圈储存磁场能量。超导材料具有零电阻和完全抗磁性，使得磁能在超导线圈中几乎无损耗地储存，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快，转换效率高、比能量／比功率大等优点，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。电磁储能简介5.1

电磁储能技术基础

电磁储能的能量计算5.1

电磁储能技术基础1820年左右，奥斯特（HansChristianØrsted）发现了电流的磁效应，为电磁学奠定了基础。法拉第（MichaelFaraday）发现了电磁感应现象，即变化的磁场能够产生电流。这为电磁储能技术的产生提供了理论基础。1821年，法拉第试制出了一种将电能转化为磁能再转化为机械能的实验装置，这是最初的直流电动机的雏形。1823年，英国电学家斯特金（WilliamSturgeon）通过实验发明了电磁铁，为电磁储能提供了实际应用的可能性。1831年，美国电学家亨利（JosephHenry）试制出一台电动机模型，其产生的动能比法拉第的装置要大，推动了电动机的发展。1832年，法国电学工程师皮克西（HippolytePixli）成功试制出手摇永久磁铁旋转式发电机，这是世界上第一台发电机。随着电动机和发电机的发明与改进，电磁储能技术开始逐渐应用于实际生产和生活中。进入20世纪，随着电力工业的发展，电磁储能技术得到了更多的关注和研究。各种新型电磁储能技术不断涌现，如超导储能、超级电容器等。电磁储能发展5.1

电磁储能技术基础交通领域电磁储能技术为电动汽车、高速列车、电动船等交通工具的驱动和制动系统提供了动力。通过有效地将制动能量回收并储存，提高了能源利用效率，同时也减少了环境污染。能源领域由于可再生能源如太阳能和风能具有间歇性和不稳定性，电磁储能技术可以有效地将这些能源储存起来，并在需要时释放，从而平衡能源供应和需求，确保电力系统的稳定运行。军事领域电磁储能技术在电磁轨道炮、电磁脉冲枪、电磁干扰、飞机电磁弹射、激光武器等军事装备中。这些装备利用电磁储能技术提供的高能量密度和快速释放能力，实现了更高的打击精度和更快的反应速度。电力系统电磁储能技术可以将多余的电能转换为电磁场能量进行储存，并在电力需求高峰时释放，从而平衡电力系统的负荷。可以提高电力系统的稳定性和可靠性，防止因电力波动或故障导致的供电中断。电磁储能应用主要内容四

超级电容器储能二

三

电感储能一

电磁储能技术基础

传统电容器储能五

超导储能六

电磁储能技术前沿与应用5.2

传统电容器储能

电容器包括两个电极，储存的电荷大小相等，符号相反。电极本身是导体，两个电极之间由绝缘体（或称为电介质）隔开。

若一电容器两极施加一伏特的电压，其储存电荷量为一库仑，则此电容器的电容量为一法拉（farad，符号为F）

电容量的定义式是：C=Q/U

其中，C代表电容量，‌Q代表电量，‌U代表电压。‌这是电容的定义式，‌用于描述电容的基本概念。电容器的定义式5.2

传统电容器储能

一般来说，电容器的电容量和电极的有效表面积成正比，和电介质的厚度成反比，和两电极间电介质的相对介电常数成正比：

C=ε0εrA/d

其中，C

是电容量，ε0是真空介电常数，εr是电介质的相对介电常数，A是极板的有效表面积，而d是介质厚度。电容量的计算5.2

传统电容器储能

例题5-15.2

传统电容器储能

例题5-25.2

传统电容器储能

传统电容器储能原理5.2

传统电容器储能

例题5-35.2

传统电容器储能按电介质分类：

有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器、电力电容器和空气介质电容器等。按用途分类：

高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、S矫正、稳压、高频耦合、低频耦合、定时等。按制造材料分类：

瓷介电容、云母电容、涤纶薄膜电容、聚丙烯薄膜电容、铝电解电容、钽电解电容等，还有先进的聚碳酸酯薄膜电容、聚酰亚胺薄膜电容、聚苯硫醚薄膜电容、聚醚醚酮薄膜电容、聚四氟乙烯薄膜电容、铌电解电容等。按结构分类：

固定电容器、可变电容器和微调电容器。电容器分类5.2

传统电容器储能薄膜电容器也被称为塑料薄膜电容，是以绝缘塑料薄膜作为电介质的非极性（或者弱极性）电容器，薄膜两侧覆盖有金属箔（如铝、锡）以形成电极。薄膜电容器一般容量更为精确，并具有较高容量稳定性与极低的压电效应，但是其尺寸与陶瓷电容相比一般更大。根据塑料薄膜的种类，薄膜电容器还可以细分为：

聚酯薄膜电容（又称Mylar电容）、聚丙烯薄膜电容（又称BOPP电容）、聚苯乙烯薄膜电容（又称PS电容）和聚碳酸酯薄膜电容（又称PC电容）等。

电容器分类-薄膜电容器聚苯乙烯薄膜电容器聚丙烯薄膜电容器聚丙烯薄膜电容器模组5.2

传统电容器储能陶瓷电容器，也被称为瓷介电容器或独石电容器，其介质材料主要为陶瓷，属于无机电容器。根据陶瓷材料的不同，陶瓷电容器可以分为低频瓷介电容器和高频瓷介电容器两类。低频瓷介电容器的容量范围为100pF～100µF，而高频瓷介电容器的容量范围则为300～22000pF。

瓷片电容器

引线式独石电容器

贴片式独石电容器电容器分类-陶瓷电容器5.2

传统电容器储能电解电容器是一种特殊的电容器，它的结构主要由阀金属箔或者粉（通常为铝或钽）作为正极，阀金属阳极形成的绝缘氧化层（如三氧化二铝或五氧化二钽）作为电介质，以及由导电材料、电解质（可以是液体或固体）和其他材料共同组成的阴极构成。由此得名电解电容器。电解电容器(a)引线式(b)焊片式(c)螺栓式(d)固体卷绕(e)贴片铝电解电容(f)贴片钽电解电容电容器分类-电解电容器（a）

（b）

(c)

（d）

(e)(f)

5.2

传统电容器储能能量存储

电容器常用在配合电池使用的电子设备中，在电池停止工作时提供电力，避免储存的资料因没有电力而消失。电动汽车中的电容器储能系统

电动汽车采用了电容器辅助储能系统功率因数调节

加入电容器的目的是抵消马达或日光灯等电感性负载的影响，使负载尽量接近电阻性负载。电机启动

单相感应马达，则需在启动时加装一电容器，利用电容器和马达电感的相位差产生旋转磁场，使马达启动，此电容称为启动电容。

电容器储能应用案例电机启动电容器比容量高自愈特性工作电场强度高

额定电容量大单向导电性工作电压有上限绝缘性能较差损耗角正切值较大易老化电解电容器的性能特征5.2

传统电容器储能脉冲功率及武器应用案例

主动式电磁装甲

主动式电磁装甲主要包括传感器、控制系统、电源(电容器组)和钢板发射器等组成，如图所示。传感器探测到入射弹丸后，控制系统发出开关接通指令，使电容器组向钢板发射器的电磁线圈放电，钢板发射器将钢板以极高速度弹射出去，迎击入射弹丸，将来袭弹丸撞断或撞偏，使其失去破坏装甲的能力。电容器储能应用案例传感器入射弹丸钢板发射器电源（电容器组）控制系统5.2

传统电容器储能电磁弹射系统我国航母电磁弹射器的储能系统能够在45s内完成能量存储，并且在2~3s的时间内释放高达484MJ的能量。能在短时间内能实现大功率的能量输出，关键在于使用最先进的储能设备——薄膜电容器+超级电容器。福建舰采用的中压直流电力系统，利用电容器储存电荷的方式来储存能量，不同于机械储能的方法，电容充放电快、响应快、寿命长，故障率低，而且电容放出的是直流电，能直接带动福建舰上的直流电机进行弹射。电磁轨道炮

主要由能源、加速器、开关三部分组成。能源通常采用可蓄存10～100MJ能量的装置。对于单回路电磁轨道炮而言，它需要在几μs间经过5MA电流，产生的磁场强度约为10T。当前实验用的能源有电容器组脉冲电源模块、磁通压缩装置、单极发电机等方式。电容器储能应用案例主要内容四

超级电容器储能二

三

电感储能一

电磁储能技术基础

传统电容器储能五

超导储能六

电磁储能技术前沿与应用5.3

电感储能

电感器按外形分类：卷圈类电感：包括带线圈的单圈或多圈卷圈型电感，外形小巧，可以做小体积的高精度电感，如螺纹电感等。(a)电感线圈(b)高饱和电流电感电感的分类5.3

电感储能按外形分类：芯片型电感：

外形类似一个M型，有表面贴装、圆柱型、椭圆型和T型等多种形态。磁性套筒类电感：

由带内芯及外壳组成的柱形结构，有表面安装型和钢板安装型两种。印刷电路板（PCB）电感：

外形是一个板状结构，表面上可以有直接焊接的接地点或孔位，便于在PCB上安装。空心电感、实心电感贴片电感电感的分类5.3

电感储能按工作性质分类：高频电感器：如天线线圈、震荡线圈等。低频电感：如扼流、滤波电感等。按封装形式分类：普通电感、色环电感、环氧树脂电感、贴片电感等。按电感量分类：固定电感：电感量保持不变的电感。可调电感：电感量可以通过某种方式（如调节铁芯位置）进行调整的电感。按用途分类：滤波类电感：由于其具有高频电感特性，常用于高频电路滤波。保护类电感：用于保护电路中元器件不受损害。匹配类电感：主要用于电路匹配，保证电路正常工作，确保信号电路的正确传输。磁性类电感：用于更高效率的能量转换，具有节省能耗、频率响应快等特点。感应器：用于感应电信号或磁场变化。电感的分类5.3

电感储能

电感储能原理5.3

电感储能1831年，英国科学家法拉第（MichaelFaraday）发现电磁感应现象，并使用了铁芯线圈作为最初的电感器。1832年，美国的亨利（JosephHenry）发表了关于自感应现象的论文，电感量的单位也因此被命名为亨利。19世纪中期，电感器开始在电报、电话等装置中得到实际应用。1887年，德国的赫兹（HeinrichRudolfHertz）和1890年美国的特斯拉（NikolaTesla）分别提出了著名的赫兹线圈和特斯拉线圈，这些都是电感器的重要应用实例。六十年代，电感储能技术由于体积小（储能密度大）、价廉，相较于电容储能技术占有优势。进入七十年代后，由于微秒脉冲功率技术的迅速发展，以及电容器储能密度及寿命研究的突破性进展，电容器储能又占据了优势。八十年代以后，由于重复频率开关研究的进展，特别是电感储能系统断路开关的突破，电感储能在脉冲功率技术上的应用又有所发展。进入现代，电感储能技术以其独特的优势，如储能密度高、能量转换效率高等，开始在新能源规模化发展中扮演重要角色，特别是在电力系统、新能源汽车、工业控制等领域。电感储能技术在现代科学技术领域有着广泛的应用，包括超音速风洞、固体激光脉冲氙灯、核聚变托卡马克磁场系统等慢放电装置。随着电磁发射技术的快速发展，电感储能的脉冲电源在多样化、高比能、小体积和低成本方面得到了进一步推动。

电感储能技术发展5.3

电感储能电力电子领域

当电源电压波动较大或存在短路故障等问题时，电力电子变压器可能会出现不稳定的情况。而电感储能技术可以在这些情况下提供额外的电能支持，保证电力电子变压器的稳定运行。交通运输领域

电感储能技术以其高储能密度和快速充放电的特性，在电动汽车和混合动力汽车的能量储存系统中发挥着关键作用。新能源领域

在光伏逆变器中，电感通过其储能作用实现了直流电到交流电的高效转换，减少了电流的谐波失真，提高了输出电压的质量。电感还参与了系统的滤波和磁性元件的能量传输，确保了光伏逆变器的稳定运行，从而提高了整个光伏发电系统的效率和稳定性。电力传输

电感储能技术可以优化电力传输的稳定性。在电力传输过程中，由于线路阻抗、负载变化等因素，电压和电流可能会产生波动。电感储能器可以吸收和释放电能，从而平滑电压和电流的波动，提高电力传输的稳定性。医疗设备领域

电感储能技术被广泛应用于医疗成像设备中，如磁共振成像（MRI）设备。电感储能技术应用5.3

电感储能电感是电磁弹射系统中非常重要的一个组成部分。电感是由导线绕成的螺线管，供电时通过其产生磁场。它具有存储和释放能量的作用。在电磁弹射系统中，电感充当了储能器的角色，将电源提供的电能转换为磁能。案例

我国研制的电磁炮性能

传统火炮，炮弹速度一般不超过1000米/秒，发射动能一般不超过超过20MJ。我国研制的电磁炮，炮弹发射动能高达70MJ，威力远超同口径传统火炮。按照这个动能估算，射程高达100-200公里，而传统火炮射程很难超过50公里。

按照动能70MJ，炮弹速度2000米/秒计算，我国研制的电磁炮炮弹弹头重量可达35公斤，比130毫米口径榴弹炮威力还要大40%。而普通130毫米榴弹炮弹头重量约为25公斤，发射药重约25公斤，其中发射药体积占比约三分之二。

电磁炮炮弹出膛速度可达音速的十几倍，其产生的功率密度高达100GW/m2，在0.01-5ms的极短时间内产生巨大能量。因此需要超大功率电源，而如此高的功率密度必然导致严重的烧蚀问题。我国研制的电磁炮已经能够做到连射120发无损，已经基本解决了火炮烧蚀难题。目前我国的电磁炮已经能够装到水面舰艇，小型化技术已处于国际领先水平。电感储能技术应用主要内容四

超级电容器储能二

三

电感储能一

电磁储能技术基础

传统电容器储能五

超导储能六

电磁储能技术前沿与应用5.4超级电容器储能超级电容器，也被称为电化学电容器或双电层电容器，是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能装置。超级电容器简介超级电容器超级电容器模组5.4超级电容器储能超级电容器的技术优势超级电容器简介类型能量密度Wh/kg功率密度W/kg充放电次数（使用次数）快速输出能力持续释能时间金属薄膜电容器3.0J/cm3175M>1000000MW-GW0.5μs飞轮储能10-3010k-1M>200000百KW-MWs-min超级电容器8-1025k>500000百KW-MW10ms-s锂离子电容器60-9020k50000-500000百KW-MW5min-15min高功率锂离子电池90-1202.5k2000-5000百KW-MWmin-h5.4超级电容器储能超级电容器储能原理双电层电容是超级电容器的一种，它建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础之上，是一种新型储能装置。在双电层电容器内部，存在两个平行的电极，一个是正极，另一个是负极。当双电层电容器接通电源时，电源的正极电荷会在正极电极上积累，而负极电荷会在负极电极上积累。正负电荷的积累使电容器内形成一个由正电荷和负电荷组成的电介质层，这个层称为双电层。法拉第准电容是基于电活性离子的欠电位沉积或氧化还原所产生的吸附进行储能，也称为赝电容。法拉第准电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附、脱附或氧化、还原反应，从而产生的与电极充电电位有关的电容。电极材料碳电极电容器主要利用碳材料包括：活性炭、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯等作为电极，具有高比表面积和良好的电化学性能，因此能够实现高能量密度和高功率密度的电位变换。碳电极电容器在结构上通常包括多孔碳电极、电解液和隔膜等组成部分。贵金属氧化物电极电容器是一种利用贵金属氧化物（如氧化铱IrO₂、氧化钌RuO₂等）作为电极活性物质的电容器。这类电容器在充电和放电过程中，通过发生可逆的氧化/还原反应，使电荷在两个电极上发生转移的同时产生吸附电容。新型导电聚合物电极电容器是一种具有独特结构和性能的电容器。其电极由导电聚合物构成，这种聚合物具有出色的导电性能，使得电容器在充放电过程中能够表现出优异的性能。超级电容器简介5.4超级电容器储能电解液材料水溶液电解液具有很强的溶解能力。在电解过程中，水溶液可以导电，并且会发生水的电离反应，产生氢离子和氢氧根离子。由于水溶液电解液的离子浓度高，电阻低，因此采用水溶液电解液的电化学电容器相比采用有机电解液的电容器有着更高的电容值。有机溶液电解液是具有类似于普通无机电解液的电导性质和离子浓度，但同时也具有有机化合物所固有的物理性质。有机溶液电解液通常由具有吸电子基团的有机小分子和离子液体组成。与传统的无机电解液相比，它具有更高的电导率、更好的耐温性能和更宽的电位窗口。电极上的反应情况及结构对称型超级电容器的两个电极的配置完全相同，即两个电极采用相同的材料并对称安装。这种对称性设计使得电容器在充放电过程中具有更稳定的性能。非对称型超级电容器，也称为混合型超级电容器，是近年来发展起来的一种新型超级电容器。其设计独特之处在于采用了两种不同的电化学储能机理的电极材料，并将它们巧妙地组合在一起。超级电容器简介5.4超级电容器储能双电层理论双电层理论是描述当电解质溶液接触固体表面时，由于固体表面与电解质溶液之间的相互作用，固体表面会带有电荷。根据电荷守恒定律，固体表面会吸附电解质溶液中相反电性的离子，以保持固液界面的电荷守恒，整体呈现电中性。此时，电解质溶液内部的离子会重新排布，形成一个反离子层，即双电层。赝电容理论赝电容则是利用电极材料表面发生的可逆的氧化还原反应来储存电荷。这种反应会在电极表面产生法拉第电荷，从而增加电容器的容量。与双电层电容相比，赝电容能够提供更高的能量密度，但充放电速度可能稍慢一些。赝电容同样具有如上图所示的锯齿波形的恒电流充放电曲线，因此，是“真电容”，而不是“赝电容”。超级电容器原理双电层电容器双电层与赝电容混合电容器5.4超级电容器储能汽车领域

主要作用是配合电池使用，形成功能稳定且节能环保的动力系统。机械设备领域

可以作为机械设备的用电辅助设备，为设备提供稳定且高效的能源供应。能源领域

超级