【储能材料与储能技术研究现状的文献综述5600字】

储能材料与储能技术研究现状的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u19550储能材料与储能技术研究现状的文献综述 1264731.1储能材料研究现状 1255391.2储能技术研究进展 3282741.3大规模电力储能发展现状 522178参考文献 71.1储能材料研究现状当今世界，化石能源的快速消耗、空气污染的日益严重，使得全球的能源和环境的可持续发展面临巨大挑战。这极大地加快了人们探索新能源技术的脚步。在过去的10多年里，以太阳能、风能为典型代表的新能源发电装机容量增长较快[3]。预计到2025年，太阳能和风能装机容量将可达到1500GW、1200GW。但是新能源发电本身具有间歇性和波动性，不能够实现发电的平滑输出。为了解决这个问题，世界各国对储能技术的研发越发重视，在相关政策的驱动下，以电化学电池储能为代表的储能技术在全球蓬勃发展。电化学电池储能中能量和功率的配置较为灵活，不容易受到环境的影响，相比较更易实现大规模利用。目前，电化学电池储能体系主要为可再充铅酸电池和一次锌锰电池，这两种电池历史悠久且技术已十分成熟[4]。但是出于对更高性能电池的需求，需要寻找性能更优的电池比如输出电压高、体积和质量能量密度大、循环寿命长、记忆效应不显著的等，而锂离子电池则满足以上发展要求，因此越来越成为人们研究的热点。锂离子电池的主要材料包括正/负极材料、电解液以及隔膜四个部分[5]。锂离子电池正极材料既可以作为参与电化学反应的电极材料，还可以作为“离子库”，来提供锂离子。近年来，锂离子电池正极材料体系研究发展较为缓慢，目前商用的正极材料主要包括钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMnO2)、镍钴锰酸锂(LiNixCoyCo1-x-yO2)、磷酸铁锂(LiFeO4)。对于正极材料的选取一般遵循以下原则[6]：（1）为了提供电池较高的工作电压（高比功率），正极材料应具有较大的吉布斯自由能，可以与负极材料保持一个较大的电位差；（2）为了便于在充放电过程中，锂离子可以在正极材料中容易的嵌入/脱逸，正极材料应该有较大的孔径“隧道”结构；（3）为了获得较大的工作电流，锂离子在“隧道”中有较大的扩散系数和迁移系数，来保证大的扩散速率，并具有良好的电子导电性；（4）应具有大的界面结构和多的表面结构，以增加放电时嵌锂的空间位置，提高其嵌锂容量。（5）不应与电解液发生化学或物理反应；（6）应与电解质有良好的相容性和高的热稳定性，来保证电池的工作安全；（7）电极结构质量较轻，更易于制作，能有效提高锂离子电池的性价比；（8）无毒、廉价、易制备。金属锂作为最早被研究的锂离子电池负极材料，表现出的电池安全问题和循环性能效果不佳，因此在锂二次电池中，金属锂并未得到应用。然而锂合金的出现解决了一部分的安全隐患，但是在反复循环的过程中锂合金表现出较大的体积变化，导致电极材料出现逐渐粉化的现象，电池容量衰减过程也异常迅速。碳材料由于其具有一些良好特性在锂二次电池中被成功应用。但是碳材料首次充放电的效率较低，存在比容量低、有机溶剂共嵌入等缺点，因此锡基负极材料、硅基负极材料、氮化物、钛基负极材料以及新型合金材料等高比容量的非碳负极材料开始得到研究。对于负极材料的选取一般遵循以下原则：（1）材料插锂时应具有尽可能低的氧化还原电位，从而使电池整体输出电压较高；（2）离子应该满足能够尽可能多的在主体材料中实现可逆脱嵌；（3）锂离子的脱嵌过程中，为确保好的循环性能，主体结构应尽可能没有或很少发生变化；（4）为满足减小极化，并能进行大电池充放电插入的要求，化合物应有较好的电子电导率和离子电导率；（5）应能够与液体电解质形成良好的固体电解质界面膜，具有较好的表面结构；（6）价格低廉，资源丰富，对环境无污染等。电池中的电解液既是离子导体，同时也是电子绝缘体。即允许离子传导的同时可以防止正、负极接触引起的内部短路。尽管电极（包括正极和负极）材料决定了电池的能量密度和功率密度，但是电解质对于电池的实际能量密度和功率密度也有直接的影响。目前商用的液态电解质主要由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐（主要是LiPF6）和添加剂组成，在一定条件下，按一定比例配制而成。溶剂主要有乙烯碳酸酯（EC）、二甲基碳酸酯（DMC）、乙基甲基碳酸酯（EMC）三类有机分子及其混合物组成。锂盐在整个电解液的材料成本中，占比高达50%-60%。可以用作电解质盐的材料有六氟磷酸锂（LiPF6）、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂和双草硼酸锂等多种锂盐。添加剂主要有成膜剂、阻燃剂和过充保护剂等几类添加剂。选取理想的电解质材料一般应满足以下原则：（1）离子电导率高；（2）电化学窗口宽；（3）与电极有良好的兼容性，保持界面电阻尽可能的小；（4）足够的热稳定性和化学稳定性，允许电池在较宽的温度区间内工作，安全系数高；（5）成本低、低毒性、环境友好。隔离电池正负极是隔膜最主要的作用，隔膜可以防止电池内短路，还能使电解质中离子通过。隔膜通过闭孔功能，在电池过热的情况下，阻止电池中的电流传导。锂离子电池的充放电性能、循环性能主要由隔膜材料与电极材料之间的界面相容性，以及隔膜对电解质的保持性影响。当前常见的商用隔膜有聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃材料。选取理想的锂离子电池隔膜一般遵循以下原则：（1）电子绝缘性；（2）电解液浸润后的（离子）电阻最小；（3）稳定的结构和力学性能；（4）足够的物理强度，以易于生产操作；（5）对电池体系中的电解质、杂质、两极反应物及其产物具有一定的化学稳定性；（6）能够有效地阻止两极间的粒子、胶体或可溶物的迁移；（7）被电解质浸润性能较好；（8）厚度及其性质的一致性。1.2储能技术研究进展对于储能技术，现阶段有狭义和广义两种划分。对于储能技术狭义定义为：利用化学或物理的方法将电能进行存储，并在一定条件时进行释放的一种技术。储能技术的广义定义为：借助某种装置或介质，把某种能源以同一种能源形式存储起来，或转换成另一种能量形式存储起来，在需要时以特定的能量形式进行释放的技术[7]。在电力系统中目前应用最广的储能技术是抽水蓄能，它可以凭借强大的能量存储能力，来解决电力系统运行中负荷和可再生能源的调峰需求[9]。近年，锂离子电池、飞轮储能、超级电容、钠硫电池、钒液流电池等多种新型储能技术在全球发展迅速。这些储能系统在使用寿命、功率和容量的规模化、运行可靠性、系统制造成本等方面获得了很多突破，能够符合应用于电力行业的基本要求。抽水蓄能由上下水库、输水系统及发电系统等构成，由抽水蓄能电站完成。在低负荷状态，抽水泵使下水库的水进入上水库，以势能的形式进行储存；在高负荷状态，上水库蓄存的水推动发电机做功，并进入到下水库，在此过程中势能再次转换为电能。抽水蓄能电站主要应用在电网系统的调峰、调相和调频等方面，具备为系统提供备用容量等作用。抽水蓄能应用广泛且技术成熟。具有额定功率大、持续放电时间长、寿命长、机组启停灵活等优点。然而，抽水蓄能电站的缺点在于对自然环境要求较高、水库选址较为考究、地质条件需求较为严苛且投资成本较高、建设周期较长等。飞轮储能驱动电机过程使用的是多余电能，电机带动飞轮转子进行旋转加速，电能会以动能的形式进行存储。电量匮乏的情况下，高转速的飞轮转子再驱动电机进行发电，将动能转化为电能。另外，飞轮储能系统的储能量和输出量可进行单独的设计与控制，具有使用寿命较长、充电时间短、效率高等特点。但也具有自放电率极高、放电时间相对较短等缺点。压缩空气储能在系统电量富余的状况下，可以使用过剩电量驱动压缩机压缩空气，并注入储气系统中。当电量匮乏情况下，对压缩空气进行再释放做功。压缩空气储能具有存储容量大、易无污染、操作、成本低、综合效率高等优势。传统压缩空气储能系统单机存储容量大，但对地址条件要求严格；新型压缩空气储能利用高压容器进行空气存储，尽管容量较低，但其不受地理条件限制，系统更加灵活。电化学储能中，电池外部电解液储罐负责存储液流电池，电池内部正负极之间被离子交换膜分隔成两室，且彼此相互独立，分别作为电池的正极侧与负极侧。电池工作时正负极电解液通过各自的送液泵，强制通过各自反应室，进行循环流动，参与电化学反应。液流储能电池的功率和储能容量可进行独立设计，可深度放电，具备寿命长、效率高、环境友好等优点，是规模储能技术首选技术之一。超导磁储能技术利用变流器在超导线圈中进行电能存储，必要时再进行释放。超导线圈在超导状态下电阻几乎为零，因此超导磁储能具有热损耗极低、寿命长、电流密度高、功率密度高、响应速度快、无噪声污染等特点。其可消除瞬间断电对电网的冲击，降低电力系统的低频振荡，改善电网电能质量，增加抗事故能力，有效保障电力系统的安全。然而，目前超导材料及其维持低温的成本过高，且超导磁体具有失超保护等问题。超级电容储能利用电解质极化形成的正负电容性存储层来实现储能作用。具备使用温度范围广、功率密度高、充放电响应快、寿命长的优点。但同时具有超级电容自放电率较高、能量密度相对较低、电容元件易损耗等缺点。用电环境一般为短时间和较大功率情况下。蓄热储能借助蓄热介质以热量的形式将能量进行存储，需要时进行释放。带蓄热功能的光热发电系统采用的是熔融盐进行蓄热，多采用碱金属、碱土金属或一些盐类混合物质作为熔融盐，如混合硝酸盐（KNO3、NaNO3按一定比例混合）、混合氯化盐等。熔融盐熔点一般较高，具有易凝固的特点，且在使用温度过高的情况下易发生气化等现象。储能技术未来的发展趋势[8]：储能系统在电力系统中具有削峰填谷、调压调频、负荷跟踪、电能质量控制和备用电源等重要作用。在未来的发展时间里，在大规模电力存储上的主力技术仍为抽水蓄能技术。飞轮储能将围绕不断提高能量密度和降低成本进行发展，同时高温超导磁悬浮形式的飞轮储能将是未来研究方向之一。压缩空气在大型储能领域上已比较成熟，未来的研究重点为如何规避地形限制，发展小型高密度空气储能。超导磁储能技术具有高响应速度和高功率密度等特点，但对于高温超导材料的研发，降低超导磁储能的使用维护成本，将成为其发展的关键所在。对于超级电容储能来说，将会在如何不断提高能量密度、降低成本和提高器件使用寿命等方面持续研究。电化学储能随着大规模储能需求和电动汽车的发展，如何延长电池寿命，降低电池制造成本将是接下来的研究热点。1.3大规模电力储能发展现状近年来，世界各国都在着力构建高效、安全的未来智慧能源网。大规模储能技术作为这场能源革命的关键支撑技术，可以有效解决可再生能源发电过程中出现的波动性和间隙性问题，实现其发电的平滑输出，另外还可应用于电网的消峰填谷和电能质量改善等过程[9]。以储能单元在电网系统的中的应用场景为依据，可将其分为用户侧储能、发电侧储能、电网侧储能三种。用户侧储能主要被应用于容量管理以及电能质量调节、用户分时电价管理等方面，帮助电力用户实现分时段电价管理等过程。发电侧储能主要用于提高发电机组效率、避免动态运行对机组寿命的损害，以减少碳排放，同时降低设备维护和更换所需的费用。电网侧储能主要作用于调节电能质量、提升新能源接纳能力，以保证电网稳定运行。电池储能系统在电源侧和用户侧已实现大规模应用。储能电站对电池的要求包括：循环寿命长；响应速度相对快，充放电效率更高；安全性好；成本低等。电化学储能与当前借助水力储能手段相比，不需要受地理位置、占地面积等因素的限制，在实际生产安装过程中占据优势；加之，电化学储能的循环寿命较长、且能量密度和功率密度较高，能够满足储能电池的要求据统计，2020年上半年我国新投运电化学储能装机约90.5MW，近80%装机来自新能源并网领域[9]。现阶段，储能电池在新能源电场中的作用主要有：对风场和光伏电站的削峰填谷、改善电能质量、电网调频以及作为备用电源使用。表1-1新能源发电示范工程所用电池类型以及储能规模项目名称电池类型储能规模应用功能智利安加莫斯20MW电池储能电站锂离子电池20MW×0.33h电网调频及备用电源美国普里默斯公司储能电厂项目氧化锌液流电池25MW×3h对风场和光伏电站削峰填谷美国诺特里斯风力发电厂项目铅酸电池36MW×15min风场调频、削峰填谷、电能质量改善日本仙台变电站锂离子电池试点项目锂离子电池40MW/200MW·h可再生能源并网、改善电能质量中国张北风光储示范工程锂离子电池14MW×4.5h平抑波动、矫正预测误差、削峰填谷国网江苏镇江储能电站项目锂离子电池101MW/202MW·h调峰、调频、紧急功率支撑辽宁卧牛石风电场电池储能电站液流电池5MW×2h改善风电电能质量甘肃720MW·h网域大规模储能项目锂离子电池182MW/720MW·h提升清洁能源外送能力、平抑新能源电力波动从表1-1中，我们可以分析到，世界上一些标志性的项目，比如智利安加莫斯20MW电池储能项目、中国张北风光储示范基地等，主要使用的电池类型为锂离子电池。从而进一步说明锂离子电池是当今储能电池发展的热点。加之锂离子电池技术的发展和成本的进一步降低，更加速了其应用的进程。参考文献[1]高虎.“双碳”目标下中国能源转型路径思考[J].国际石油经济,2021,29(03):1-6[2]胡学鹏,赵荣,娄南.探讨全球能源互联网构建理念及前景[J].科学家,2016(16):70-72[3]LiX.,MaR.,WangL.,etal.Energymanagementstrategyforhybridenergystoragesystemswithechelon-usepowerbattery[C]//2020IEEEInternationalConferenceonAppliedSuperconductivityandElectromagneticDevices(ASEMD).IEEE,2020:1-2.[4]LawderM.T.,SutharB.,NorthropP.W.C.,etal.BatteryEnergyStorageSystem(BESS)andBatteryManagementSystem(BMS)forgrid-scaleapplications[J].ProceedingsoftheIEEE,2014,102(6):1014-1030.[5]HuntJ.D.,ZakeriB.,deBarrosA.G.,etal.Buoyancyenergystoragetechnology:Anenergystoragesolutionforislands,coastalregions,offshorewindpowerandhydrogencompression[J].JournalofEnergyStorage,2021,40:104726.[6]王若谷,戴立森,梁芷睿,等.基于不同种类储能电池的微电网综合储能系统性能对比[J].电力电容器与无功补偿,2019,40(1):166-171+179.[7]韩伟,彭玉丰,严海娟.能源互联网背景下的电力储能技术展望[J].电气技术与经济,2020(5):11-12+18.[8]李建林,孟高军,葛乐,等.全球能源互联网中的储能技术及应用[J].电器与能效管理技术,2020(1):1-8.[9]王秀琴.储能电站的大容量储能方式分析[J].产业与科技论坛,2012,11(16):91+68.[10]TsoukalasL.H.,GaoR.,LafayetteW.,etal.InventingenergyInternetTheroleofanticipationinhuman-centeredenergydistributionandutilization[A].SICEAnnualConference[C].IEEE,2008:399-403[11]TsoukalasL.H.,GaoR.FromsmartgridstoanenergyInternet:Assumptions,architecturesandrequirements[A].InternationalConferenceonElectricUtilityDeregulationandRestructuringandPowerTechnologies[C].IEEE,2008:94-98[12]RifkinJ.TheThirdIndustrialRevolution:HowLateralPowerisTransformingEnerg,theEconomy,andtheWorld[M].NewYork:Macmillan,2011:1-304[13]RifkinJ.LeadingtheWaytotheThirdIndustrialRevolutionandaNewSocialEuropeinthe21stCentury[J].EuropeanEnergyReview,2009:4-18[14]HuangA.FREEDMSystem-AVisionfortheFutureGrid[A].ProceedingofIEEEPowerandEnergySocietyGeneralMeeting[C].IEEE,2010:1-4[15]HuangA.Q.,CrowM.L.,HeydtG.T.,etal.Thefuturerenewableelectricenergydeliveryandmanagement(FREEDM)system:theenergyinternet[J].Proceedings