电化学储能电源设计与应用

《电化学储能电源设计与应用》是战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系——“先进功能材料与技术”系列教材之一。本教材简要介绍了电化学储能的基本原理与性能评价要素，系统讲解了铅酸电池、液流电池、锂离子电池、钠离子电池等储能电池体系的工作原理、关键电池材料的物化特性、行业标准及未来发展方向。针对市场上的典型电化学储能应用实例，介绍电化学储能电池及系统的评价要素、设计准则，并从安全与环保角度出发讨论了锂离子电池的热失控问题、生产过程污染风险、回收再利用等基础知识。 本书可作为新能源、材料科学与工程、储能科学与工程等专业本科生的教材，也可供研究生学习、从事材料和电化学储能等相关工作的技术人员参考。

胡仁宗，华南理工大学教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者，“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才，广东省先进储能材料工程技术研究中心主任，广东华菁新能源科技股份有限公司首席科学家。分别于大连理工大学和华南理工大学获得本科及博士学位，2014年以访问学者在佐治亚理工学院进行学术交流。主要从事宽温域高性能锂离子电池材料的基础理论与应用研究。迄今在AdvMater、ActaMater、EnergyEnvironSci、AdvFunctMater等知名学术期刊上发表论文170篇。2013年获得广东省优 秀博士学位论文奖、广东省科学技术奖一等奖，2019年获中国热处理学会周志宏青年科技成就奖，2021年获广东专利金奖,2022年获广东省自然科学一等奖。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划项目课题、广东省卓 越青年团队项目、企业委托开发项目等20余项。 具有丰富的教学经验，担任本科生课程《机械工程材料》（国家精品课程）主教与课程负责人；担任主讲教师，参与国家 级一 流本科课程建设1门。课程名称：《材料与社会》，课程类别：（线上线下混合式一 流课程）。 担任中国机械工程学会热处理分会第八届青年工作委员会副秘书长；中国金属学会材料科学分会第七届理事会副秘书长。担任《储能科学与技术》《金属学报》《热处理学报》《Energy EnvironmentalMaterials》《SusMat》等学术期刊的编委/青年编委。

1电化学储能概论001 1.1储能技术概论001 1.1.1储能的概念及分类001 1.1.2主要储能技术002 1.2电化学储能的发展历程及现状008 1.2.1电化学储能电池的发展历程008 1.2.2电化学储能的技术发展现状011 1.3电化学储能的发展意义及未来013 参考文献014 2电化学储能电池的主要类型与评价要素016 2.1电化学储能电池的组成及基本原理016 2.1.1水系电池016 2.1.2有机电解液碱金属离子电池021 2.1.3液流电池023 2.1.4其他电化学储能电池026 2.2电化学性能评价要素030 2.2.1标准电极电势与电势差030 2.2.2电池电压031 2.2.3电池的容量与能量032 2.2.4充放电效率033 2.2.5自放电率034 2.2.6电池内阻035 2.3电化学测试技术035 2.3.1电池电压及荷电状态测试035 2.3.2充放电循环测试036 2.3.3循环伏安测试038 2.3.4电化学阻抗测试039 参考文献040 3电化学储能电池的关键材料041 3.1铅酸电池的关键材料041 3.1.1二氧化铅正极材料041 3.1.2铅金属负极材料042 3.1.3铅炭负极材料043 3.2镍氢电池的关键材料043 3.2.1储氢合金负极材料044 3.2.2氢氧化镍正极材料046 3.3液流电池的关键材料047 3.3.1全钒液流电池047 3.3.2铁铬液流电池049 3.3.3锌溴液流电池049 3.4锂离子电池的关键材料050 3.4.1钴酸锂正极材料052 3.4.2磷酸铁锂正极材料054 3.4.3富镍三元氧化物正极材料058 3.4.4石墨类负极材料061 3.4.5硅碳负极材料065 3.4.6固态电解质068 3.4.7隔膜材料072 3.5钠离子电池的关键材料073 3.5.1层状氧化物类正极材料075 3.5.2普鲁士蓝类正极材料077 3.5.3聚阴离子类正极材料078 3.5.4硬炭负极材料079 参考文献081 4电化学储能电池的设计准则082 4.1电池的主要性能指标082 4.1.1容量与荷电状态082 4.1.2电压083 4.1.3能量与能量效率083 4.1.4功率084 4.1.5寿命084 4.1.6内阻084 4.1.7其他电池性能指标085 4.1.8储能电池体系的电池性能指标对比086 4.2电池性能评测技术086 4.2.1锂离子电池性能评测086 4.2.2全钒液流电池性能评测095 4.3电池储能系统098 4.3.1电池储能系统的基本特点099 4.3.2电池储能系统的关键设备099 参考文献111 5电化学储能系统的应用场景与设计112 5.1电源侧储能112 5.1.1新能源配储并网场景与应用实例112 5.1.2火电-储能联合调频场景与应用实例115 5.2电网侧储能117 5.2.1电网侧储能的基本原理和优势117 5.2.2电网侧储能电池的选型原则118 5.2.3电网侧储能应用实例——储能电站118 5.3用户侧储能119 5.3.1用户侧储能的应用场景与工作方式119 5.3.2工商业储能系统应用场景121 5.3.3家用储能产品应用场景122 5.3.4用户侧储能应用实例——新能源汽车123 5.4分布式微电网储能128 5.4.1分布式微电网的概念和基本结构129 5.4.2储能装置对改善电能质量的作用130 5.4.3储能装置在微电网经济优化运行中的作用131 参考文献132 6电化学储能系统的安全性与回收再生133 6.1电化学储能系统的安全与防护133 6.1.1电化学储能系统的安全问题133 6.1.2我国电化学储能系统的相关安全规范134 6.1.3锂离子电池的热失控与防护135 6.2电化学储能电池生产过程的环保问题141 6.2.1铅酸蓄电池生产工厂的环保问题141 6.2.2锂离子电池生产工厂的环保问题142 6.2.3生产工厂的建设排污及场地使用标准143 6.3电化学储能电池的回收与再生143 6.3.1储能电池的回收143 6.3.2储能电池的梯次利用149 6.3.3储能电池材料的再生与修复149 参考文献151