碳中和技術概論 課件匯 張玉清 第7、8章 儲能技術 -智能微電網應用技術

第7章儲能技術CONTENTS目錄儲熱技術PART

02機械儲能PART

03電化學儲能PART

04電磁儲能PART

05儲能技術概述PART

01儲能技術概述Part.01儲能的目的1隨著人口的增長和經濟的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，能源問題也越來越突出，主要表現為以下兩方面：

能源危機：目前的煤炭、石油、天然氣等主流能源都是不可再生能源。

環(huán)境問題：化石燃料的開發(fā)利用過程帶來了嚴重的大氣污染、水污染、溫室效應、酸雨等環(huán)境問題。能源問題儲能的目的能源問題的應對方案許多國家都在加速發(fā)展新能源技術，以此來應對能源問題。我國更是順應潮流，提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的“雙碳”目標。1儲能的目的我國新能源發(fā)展現狀在努力實現“雙碳”目標的背景下，光伏、風能、生物質能等可再生新能源的建設規(guī)模和速度逐漸加快，其發(fā)電接入電網的比例也日益增加。截至2022年底，可再生能源裝機突破12億千瓦，達到12.13億千瓦，占全國發(fā)電總裝機的47.3%。預計到2050年，新能源發(fā)電并網裝機容量將達到20億kW以上，屆時將成為中國第二大主力電源。1儲能的目的我國新能源發(fā)展現狀我國的經濟發(fā)展及用電量狀況又與一次能源的分布呈現負相關，即經濟發(fā)達、用電量高的地區(qū)一次能源少，經濟欠發(fā)達、用電量低的地區(qū)一次能源多。資源與需求的不平衡性決定了我國新能源發(fā)電的接入電網的方式，多為集中式大規(guī)模接入電網。1儲能的目的我國新能源發(fā)展中的問題第一：新能源存在的波動性和間歇性。如果不經處理直接將新能源發(fā)電接入電網，會給電網帶來巨大的不穩(wěn)定性。大規(guī)模的新能源發(fā)電接入電網固然可以提升能源的整體清潔程度，但是同時存在兩個不可忽略的重要問題：以太陽能發(fā)電為例，夏季秋季發(fā)電多、春季冬季發(fā)電少；白天發(fā)電多、傍晚和晚上不發(fā)電。1儲能的目的我國新能源發(fā)展中的問題第二：可再生能源的消納問題。資源與需求的不平衡性決定了我國新能源發(fā)電接入電網的方式多為集中式大規(guī)模接入電網，即大規(guī)模集中開發(fā)的風能、太陽能發(fā)電需要輸送到其他地區(qū)的區(qū)域電網或跨省電網進行消納。但是由于目前集中開發(fā)太陽能和風能的地區(qū)的電網調峰能力不足，可再生能源的消納就成了一個大問題，以至于為此不得不在特定時間段使許多風力發(fā)電、光伏發(fā)電機組停止運行，以維持電網穩(wěn)定。這使得部分地區(qū)的棄風率、棄光率驚人，造成了巨大的經濟損失。1儲能的目的儲能的概念為了解決上述問題，儲能的概念即被引入新能源的開發(fā)之中。由于獲得的能量和需求的能量往往不一致，為了保證能量的利用過程能夠連續(xù)進行，就需要對某種形式的能量進行儲存，即儲能或蓄能。儲能的目的：克服能量供應和需求在時間、空間上的差別。1儲能的目的儲能在新能源利用中的作用其一，儲能可以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定。光伏電站系統(tǒng)中，太陽電池發(fā)電的輸出功率曲線與負荷曲線之間存在較大差異，并且兩者均存在某些不可預料的波動。通過儲能系統(tǒng)的能量存儲，可以起到很好的緩沖作用，從而使得電力系統(tǒng)即使在輸入及負荷發(fā)生不可預料波動的情況下，仍然能夠相對平穩(wěn)的運行。1儲能的目的儲能在新能源利用中的作用其二，儲能可將能量儲存起來以備他用。可以在光伏發(fā)電無法正常運行的情況下（夜間、陰雨天）調用儲能系統(tǒng)中儲存的電能以滿足負荷的需求，起到備用和過渡的作用。1儲能的目的儲能在新能源利用中的作用其三，儲能還有助于提高電力的品質和可靠性。儲能系統(tǒng)的存在可有效降低負載中電壓低谷、電壓尖峰、突發(fā)干擾等引起的電網波動對電力系統(tǒng)的影響，從而保證電力輸出的品質與可靠性。1儲能的基本原理能量能量是一切物質運動、變化、相互作用的度量。能量的存在形式：機械能（風能、潮汐能等）內能（地熱能等）電能化學能光能原子能（又稱核能）1儲能的基本原理能量的基本性質狀態(tài)性：能量總是處于一定的形式?？杉有裕和N能量可相互疊加。傳遞性：能量可以從一個物體傳遞到另一個物體。轉換性：能量可以從一種形態(tài)轉換為另一種形態(tài)。能量利用的過程實質上就是能量的轉換與傳遞。1儲能的基本原理儲能的基本原理能量的傳遞性與轉換性是儲能之所以能實現的基礎。利用不同形式能量之間的相互轉化，即可將某種形式的能量轉化成另一種可儲存的形式，從而實現能量的儲存。更具體地：通過一定的介質或裝置，將某種形式的能量轉換成另一種在自然條件下比較穩(wěn)定的存在形式，并可根據應用的需求以特定的形式釋放能量，這就是儲能的基本原理。1儲能技術的類型儲能技術類型按照儲能時轉化并儲存的能量形式的不同，儲能可分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能、熱儲能、化學儲能等儲能方式，分別對應著不同的場景。1各類儲能技術裝機規(guī)模全球電力儲能市場累計裝機規(guī)模（MW%，2000~2022）儲能技術的類型1各類儲能技術裝機規(guī)模中國電力儲能市場累計裝機規(guī)模（MW%，2000~2022）儲能技術的類型1各類儲能技術性能特征儲能技術的類型儲能類型儲能技術儲能時長響應時間釋能時長綜合效率壽命技術成熟度熱儲能顯熱儲能相變儲能熱化學儲能短時長時超長時min級s~min級min級h級h級h級20%~30%30%~50%20%~40%20年以上10~15年10~20年成熟商業(yè)化早期開發(fā)階段機械儲能抽水蓄能長時s~min級1~24h75%~85%60~70年成熟壓縮空氣儲能長時min級1~24h70%~80%30~40年成熟飛輪儲能短時ms~min級ms~min級93%~95%20年以上商業(yè)化早期電化學儲能鋰離子電池長時ms~min級min~h級90%~95%5~15年商業(yè)化鈉離子電池長時ms~min級min~h級90%~95%5~15年商業(yè)化早期鉛蓄電池中長時ms~min級min~h級75%~90%5~10年商業(yè)化液流電池長時ms級h級60%~85%10~15年商業(yè)化早期鈉硫電池中長時ms級h級80%~90%10~15年商業(yè)化早期電磁儲能超級電容器短時ms級ms~min級90%~95%20年以上開發(fā)階段超導儲能長時ms級s級95%~98%20年以上開發(fā)階段化學儲能氫能超長時ms~min級h級30%~40%10~20年開發(fā)階段電轉甲烷超長時ms~min級h級25%~30%10~20年開發(fā)階段1儲能技術發(fā)展現狀目前，除了抽水蓄能較成熟之外，其它的儲能方式均處于新興階段，屬于新型儲能技術，仍有進步空間。抽水蓄能與其它新型儲能方式各有優(yōu)缺點，在當前形勢下，兩者可互補發(fā)展。但從長遠的可持續(xù)性來看，抽水蓄能電站容量大，壽命期長，運行成本低，安全可靠性高，仍應作為電力系統(tǒng)最主要的儲能手段和調節(jié)電源；抽水蓄能以外的新型儲能技術，具有精準控制、快速響應、靈活配置和四象限靈活調節(jié)功率等特點，能夠為電力系統(tǒng)提供多時間尺度、全過程的平衡能力、支撐能力和調控能力，是構建以新能源為主體新型電力系統(tǒng)的重要支撐技術。儲能技術的類型1儲熱技術Part.02儲熱與蓄冷熱能(或冷能)的使用過程中，在時間和空間上存在供求不匹配的矛盾。需要引入儲能技術（儲熱與蓄冷），來解決上述矛盾。儲熱蓄冷2熱能(或冷能)的儲存熱能(或冷能)儲存的主要方式：顯熱儲能：每一種物質均具有一定的熱容，在物質形態(tài)不變的情況下隨著溫度的變化，它會吸收或放出熱量，顯熱儲能技術就是利用物質的這一特性。其儲熱效果和材料的比熱容、密度等因素關系密切。顯熱儲能、潛熱儲能、熱化學儲能。2顯熱儲能利用價格低廉、來源方便、比熱容大的水作為儲能介質來儲存熱量，是最為常見的顯熱儲能方式。顯熱儲能的特點：原理簡單、材料來源豐富、成本低廉、運行系統(tǒng)結構簡單、使用方便；儲能密度小、儲能裝置體積大、難以實現大規(guī)模應用。2潛熱儲能潛熱儲能：利用材料在發(fā)生物相變化時吸收或釋放大量的潛熱來進行熱量的儲存。故而，又稱為相變儲能。相變潛熱：物質從一種相態(tài)轉變成另一種相態(tài)（即相變）的過程中，伴有能量的吸收或釋放，這部分能量稱為相變潛熱。相變潛熱的大小取決于材料的種類及其相變的狀態(tài)。2潛熱儲能潛熱儲能的優(yōu)點：儲能密度極高；所用裝置簡單、體積小、設計靈活、使用方便且易于管理；在相變儲能過程中，材料近似恒溫，便于控制體系的溫度。潛熱儲能的應用：熱機、廢熱回收、太陽能儲存以及供暖和空調系統(tǒng)等。2熱量儲存的方式對比儲能密度方面：潛熱儲能>顯熱儲能標準大氣壓下，水的液化潛熱為355kJ/kg；而比熱為4.2kJ/(kg℃)，若將水從25℃加熱至50℃，其顯熱為105kJ/kg.使用便利度方面：潛熱儲能>顯熱儲能相變過程溫度不變，顯熱過程溫度不斷變化。相較于顯熱儲能，相變儲能優(yōu)勢明顯，是更好的熱量儲存方式。溫度時間2相變的形式(1)固氣升華凝華(2)液氣汽化液化(3)固液熔化固化(4)固固再結晶相變過程體積變化太大，很少實際利用相變過程體積變化小，可用于實際應用相變潛熱太小，應用不廣泛相變潛熱較大，最具實用價值SolidLiquidGas2相變儲能材料相變儲能材料，簡稱相變材料（phasechangematerial,PCM）：廣義上，指能被利用其在物態(tài)變化時所吸收或釋放的大量熱能用于能量儲存的材料。狹義上，指在固—液相變時，儲能密度高、性能穩(wěn)定、相變溫度合適，能夠應用于相變儲能技術的材料。

只有能夠經受足夠長次數的熔化-凝固循環(huán)，而保持其物理化學性質不變的材料，才能成為相變材料。儲能密度高儲放能恒溫可循環(huán)使用2相變材料的評價標準1.熱力學標準：

相變點：在需要的溫度范圍內。

相變焓：相變焓大，同樣質量的相變材料所儲存的能量更多。

密度：密度大，所需體積小。

比熱容：比熱大，可以提供額外的顯熱效果。

熱導率：熱導率大，有利于快速儲熱及提熱。

體積變化：相變體積變化小，有利于存放。2相變材料的評價標準2.動力學標準：

過冷度：小過冷度或無過冷度，有利于儲能過程的順利進行。過冷現象是指，在一定壓力下，當液體的溫度已低于該壓力下液體的凝固點，但液體仍不凝固的現象。過冷現象阻礙了相變的發(fā)生，不利于儲能。通常會在相變材料中加入成核劑來抑制過冷現象。水的過冷現象2相變材料的評價標準3.化學標準：

穩(wěn)定性：化學性質穩(wěn)定利于長期使用。

腐蝕性：應該對容器無腐蝕性。

無毒性、無爆炸性、不可燃。

廉價、可大量獲得。4.經濟標準：優(yōu)先考慮合適的相變溫度和較大的相變潛熱，而后再考慮其它因素。2相變材料的分類按照相變溫度的范圍來分類：

高溫相變材料（250℃以上）

中溫相變材料（100~250℃）

低溫相變材料（100℃以下）2相變材料的分類按照材料的組成成分來分類：2相變材料的分類有機、無機相變材料對比：有機相變材料無機相變材料優(yōu)點相變溫度分布范圍廣，選擇面廣無過冷和相分離現象化學性能、熱性能穩(wěn)定與傳統(tǒng)材料兼容性好單位體積的相變潛熱高熱傳導性好相變時體積變化小不易燃燒缺點單位體積的相變潛熱低固態(tài)時的熱傳導性差密度小、易燃燒過冷、相分離問題嚴重熱性能不穩(wěn)定，具有一定的腐蝕性2無機相變材料1.結晶水合鹽中低溫相變材料，溫度為幾到一百多攝氏度。結晶水合鹽通式：

相變機理：超過熔點后，水合鹽失去結晶水，這部分結晶水將水合鹽溶解。

加熱（T>Tm）冷卻（T<Tm）

加熱（T>Tm）冷卻（T<Tm）

2無機相變材料1.結晶水合鹽常用的結晶水合鹽：Na2SO4·10H2O,MgCl2·6H2O,CaCl2·6H2O結晶水合鹽的特點：使用范圍廣、價格低廉、導熱系數大、熔解熱大、密度較大、單位體積儲熱密度大、一般呈中性。存在過冷現象及相分離現象。2無機相變材料過冷問題：物質冷卻到冷凝點時并不結晶，而需要到冷凝點以下一定溫度才開始結晶。導致物質不能及時發(fā)生相變，從而影響熱量的及時利用。產生原因：水合鹽結晶時的成核性能差。解決辦法：提高成核性。(1)加成核劑。如在芒硝中加入硼砂作為成核劑。(2)冷指法：保留一部分冷區(qū)，使為融化的晶體作為成核劑。2無機相變材料相分離問題：溫度上升時，釋放出的結晶水數量不足以溶解所有非晶態(tài)脫水鹽，由于密度差異，這些未溶脫水鹽沉降到容器底部。當溫度下降時，沉底的脫水鹽無法與結晶水結合，使得相變無法繼續(xù)，形成相分層，造成儲能能力逐漸下降。解決辦法：(1)加增稠劑(3)搖晃或攪動(2)加晶體結構改變劑(4)采用薄層結構的容器2無機相變材料2.熔融鹽中高溫相變材料，溫度為幾百至上千攝氏度。常用熔鹽：堿金屬及堿土金屬的鹵化鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等。儲能機理：固液相變的潛熱。熔鹽相變材料的普遍特點：溫度范圍廣、價格低廉、單位體積儲熱密度大、熱穩(wěn)定性強、蒸汽壓低、安全性好。2無機相變材料2.熔融鹽鹵化鹽：熱導率高、比熱容大；腐蝕性較強。碳酸鹽：密度大；穩(wěn)定性稍弱。硝酸鹽：價格低；熱導率較低、安全性不高。實際應用：單一組分的熔鹽劣勢明顯，實際應用中通常將不同種類的熔鹽混合形成多元混合熔鹽，以提高優(yōu)勢、彌補劣勢。2無機相變材料3.金屬相變材料高溫相變材料，固-固相變材料。常用材料：共晶合金。儲能機理：晶型變化時的潛熱。金屬相變材料的普遍特點：無需容器、無毒、無污染、性能穩(wěn)定、使用壽命長、熱導率極高、相變過程體積變化小。潛熱較少。是未來相變材料研究的熱點。2有機相變材料1.石蠟類：高級脂肪烴中低溫相變材料，溫度多在100攝氏度以下。儲能機理：固液相變的潛熱。相變溫度和相變潛熱隨著碳鏈的增長而增大。但是隨著碳鏈的增長，相變溫度的增值會逐漸減小，最終趨于一定值。石蠟類材料的相變溫度往往不是一個固定值，而是存在一個熔融溫度區(qū)間。2有機相變材料2.脂肪酸、脂肪醇類中低溫相變材料，溫度多在200攝氏度以下。儲能機理：固液相變的潛熱。有機類固-液相變材料的特點：固體成型性好、不容易出現過冷及相分離、腐蝕性小、性質穩(wěn)定、無毒性、成本低。熱導率低、密度小、單位體積儲能力低、易燃、容易因氧化而老化。2有機相變材料3.多元醇、聚合物：中高溫相變材料，固-固相變材料。儲能機理：晶型變化過程的潛熱。固-固相變材料潛熱較少，目前并未大量應用，尚待進一步的研究。常見材料：季戊四醇、三羥基甲基乙烷、三羥甲基氨基甲烷、高分子交聯(lián)樹脂等。2復合相變材料1.膠囊包覆將相變材料(芯材)封閉在聚合物或無機材料(壁材)的膠囊中，制成膠囊型復合相變材料。優(yōu)點：能有效解決相變材料的泄漏、相分離及腐蝕性等問題，便于儲存和使用。常見的膠囊結構示意圖2復合相變材料1.膠囊包覆納膠囊：粒徑小于1μm微膠囊：粒徑1μm~1mm大膠囊：粒徑大于1mm常見制備方法：2復合相變材料2.與多孔基質復合利用具有大比表面積微孔結構的無機物作為支撐材料，通過微孔的毛細作用將液態(tài)的相變材料（高于相變溫度條件下）吸入到微孔內。泡沫鎳石蠟/泡沫鎳復合石蠟/泡沫鎳復合泡沫銅優(yōu)點：除了解決相變材料的泄漏問題，還可以極大提高整體導熱性。2復合相變材料3.與納米材料復合將金屬納米粒子、膨脹石墨、氧化鋁納米粒子等納米材料均勻分散到相變材料中，形成復合相變材料。優(yōu)點：極大提高了材料的整體導熱性缺點：納米材料易沉降，降低了整體效能鋁納米粒子膨脹石墨2相變儲能技術的應用建筑領域

利用相變材料可以有效地推遲溫度波動通過建筑物的傳播，提高建筑物的熱慣性；溫度調節(jié)領域

將相變材料儲熱、蓄冷的能力應用于空調領域，對于工業(yè)余熱回收、降低冷暖系統(tǒng)總能耗以及電力移峰填谷起到了有效作用；紡織行業(yè)

在紡織纖維中添加微膠囊相變材料可以提高服裝的保溫性能，用于維持服裝內溫度的穩(wěn)定；其它領域

包括航空航天、軍事、太陽能、運輸業(yè)等。2建筑領域﹡相變墻體﹡相變地板﹡相變材料在混凝土中的應用相變儲能技術在建筑節(jié)能領域的應用2相變墻體MengZhang，MarioA.Medina等同時建造了2間模擬能耗房間（1.83m×1.83m×1.22m），一間使用常規(guī)墻體，一間使用添加了相變材料的墻體.通過實驗發(fā)現使用相變材料墻體的房間，無論是室內溫度的穩(wěn)定性、還是舒適度，都優(yōu)于使用常規(guī)墻體材料的房間。P.Schossig，H.-M.Henning建造了常規(guī)尺寸的模擬研究房屋，房屋的內墻采用不同的墻體材料，左邊的房間采用相變材料，平行的房間采用常規(guī)墻體材料。經過對室內溫度的檢測，發(fā)現使用相變材料的房間，室內溫度波動大大小于常規(guī)材料的房間。2相變墻體膠合板石膏板玻璃纖維墻壁剖立面安裝浸漬相變材料的石膏板，相變材料是50%硬脂酸丁酯和48%軟質酸丁酯的混合物，其相變點是21℃。2相變墻體由德國BASF公司開發(fā)出的一種含微膠囊石蠟的石膏墻板，并且將它與輕質墻體結合在一起。微膠囊石蠟的含量占石膏墻板的1/3，蓄熱能力相當于20CM厚的磚木結構，可以使室內溫度大部分時間維持在22～26℃。2相變地板2相變材料在混凝土中的應用2相變涂料用含相變材料的微膠囊制備涂料，或用多孔超細材料復合作為涂料的主要填充介質制備涂料。這種涂料可以用在新建建筑中，也可以用來提升老房屋的儲熱能力，有利于相變儲能建筑材料的推廣使用。FTC相變保溫砂漿具有高蓄熱功能，在25-50℃之間發(fā)生相態(tài)變化時吸熱和放熱的特點，具有優(yōu)良的蓄熱機能。2溫度調節(jié)領域谷電利用峰電:8:00到22:00谷電:22:00到8:00如果能把波峰電負荷轉移到用電波谷處，則會產生更好的經濟效益。可用儲熱或蓄冷的方式達到這一目的。在用電低谷階段，用電將相變儲能系統(tǒng)加熱或冷卻，以儲熱或蓄冷，在峰電階段輔助制熱或制冷。22溫度調節(jié)領域工業(yè)余熱回收工業(yè)余熱：工業(yè)生產中的熱效率低，40-60%的熱量通過熱氣、熱水消散到環(huán)境中。利用相變儲能系統(tǒng)可吸收工業(yè)余熱，再在合適的時間、地點進行使用。2太陽能-相變蓄熱供暖溫度調節(jié)領域2紡織行業(yè)相變紡織材料相變纖維：含有相變材料微膠囊的纖維。利用相變纖維織成布料，再制作衣物。2紡織行業(yè)相變纖維衣物相變纖維衣物普通衣物相變纖維衣物在一定的溫度范圍內自由調節(jié)紡織品內部溫度，使其維持在舒適溫度區(qū)，并且使溫度波動相對較少，人穿著、使用時會感覺更加舒適。2其它領域太陽能熱發(fā)電2將相變材料微膠囊分散在基質中以涂料或遮障的形式覆于軍事目標,令其盡可能地吸收目標放出的熱量,使得軍事目標的溫度與環(huán)境溫度保持相近,從而達到紅外偽裝效果。其它領域軍事作用2其它領域電子器件散熱相變散熱材料2其它領域保溫丙烯酸多元醇聚合物2熱化學儲能熱化學儲能，又稱化學儲熱，利用儲能材料相接觸時發(fā)生可逆的化學反應來儲存、釋放熱能。

吸熱放熱

吸熱反應（ΔH>0）→熱能儲存放熱反應（ΔH<0）→熱能釋放ΔH=生成物熱焓量之和－反應物熱焓量之和2熱化學儲能熱化學吸附儲能：化學反應過程中破壞的是分子間作用力（氫鍵、范德華力、靜電力）。MgSO4·7H2OMgSO4+7H2O熱化學反應儲能：化學反應過程中破壞的是化學鍵（離子鍵、共價鍵）。Mg(OH)2MgO+H2O2熱化學儲能熱化學儲能的三個過程：1.儲熱：C吸收熱量分解為A和B。

2.存放：單獨儲存A和B。3.放熱：A和B結合生成C，并放出熱量。

2熱化學儲能優(yōu)點：儲能密度大、輸出的熱能品味高、可長時間儲存而無熱損失、運輸方便；缺點：熱化學反應過程復雜、所用材料價格高、具有一定的危險性?；瘜W儲熱由于系統(tǒng)復雜、技術難度大，可操作性不強，目前仍處于實驗研究階段，距離大規(guī)模應用尚遠。2熱能儲存技術特性顯熱儲能相變儲能熱化學儲能能量密度低0.2GJ/m3中等0.3-0.5GJ/m3高0.5-3GJ/m3熱損失較大較大低運輸短距離短距離無限制主要優(yōu)勢成本低、技術成熟儲能密度中等、系統(tǒng)體積小儲能密度高、熱損失小、運輸方便主要劣勢熱損失大、儲能系統(tǒng)體積大導熱性差、熱損失大、腐蝕性較強技術復雜、成本高、整體效率低2熱化學儲能材料的選取標準

能量密度：能量密度高，同質量的材料所儲存的能量就更多。

導熱性：熱導率大，有利于快速儲熱及提熱。

反應速率：反應速率合適，有利于儲放熱。

反應過程：轉化率高、無副反應、循環(huán)穩(wěn)定性好、反應物和生成物易分離及儲存。

安全性：環(huán)境友好、工作壓力低、無腐蝕性。

經濟性：容易獲取、成本低廉。2熱化學儲能材料常見的熱化學儲能材料：熱化學反應儲能體系反應式儲熱密度反應溫度/℃氨NH3+△H

D

1/2N2+3/2H267kJ/mol400-500甲烷/水CH4+H2O

D

CO+3H2n.a.500-1000氫氧化物Ca(OH)2

D

CaO+H2O3GJ/m3500甲烷/二氧化碳CH4+CO2

D

2CO+2H2247kJ/mol645碳酸鹽CaCO3

D

CaO+CO2FeCO3

D

FeO+CO24.4GJ/m32.6GJ/m3800-900180金屬氫化物MetalxH2

D

metalyH2+(x-y)H24GJ/m3200-300甲醇CH3OH

D

CO+2H2n.a.200-250氧化物MgO+H2O

D

Mg(OH)23.3GJ/m3250-4002有機物有機物的高溫裂解、重整、氣化等過程伴隨有熱量的變化，可用于儲能。如甲烷的重整：CH4+H2O

?

CO+3H2

CH4+CO2

?

2CO+2H2

原料來源廣，并有助于減少溫室氣體排放。

反應穩(wěn)定性和反應效率取決于催化劑，催化劑較昂貴。反應前后都是氣體，難以大規(guī)模應用。目前主要在太陽能利用方面進行研究。2氨氨基熱化學儲能反應：2NH3

?

N2+3H2

溫度400-700℃，壓力1-3MPa，需要催化劑

原料廉價，儲能密度高，無副反應且反應容易控制，儲存與分離簡單。

反應的壓力過高、反應物和生成物都是氣體。

目前研究主要集中在太陽能熱化學儲能系統(tǒng)。2金屬氫化物某些金屬或合金可以與氫氣反應生成氫化物，并釋放大量熱量。反之，加熱金屬氫化物，會發(fā)生分解。因此可用于熱量儲存。

儲能密度高，可逆性好，清潔無污染。M：Mg、Ti、鎂(鈉鐵鈷鎳)合金等金屬氫化物導熱性差，反應動力學性能差，氫氣儲存困難。2金屬氧化物較活潑金屬與其氧化物之間的相互轉化伴隨有熱量的吸收與釋放，也可用于熱量的存儲。

M：Pb、Co、Mn、Fe、V、Cu等

儲能密度極高，可逆性好，易操作。

反應溫度高，并且氧化反應開始溫度低于還原反應溫度，不利于反應器的穩(wěn)定運行。2無機氫氧化物無機氫氧化物的脫水反應也可用來儲存熱量。

如：

Mg(OH)2+熱?

MgO+H2O

脫水溫度范圍為200℃左右。

又如：

Ca(OH)2+熱?

CaO+H2O

脫水溫度范圍為580℃左右。放熱：只需加水就可取出儲存的能量。但存在腐蝕現象及燒結現象，并且容易和空氣中所含的CO2相互作用，穩(wěn)定性很差，故目前在儲熱中應用較少，有待進一步研究。2碳酸鹽碳酸鹽分解吸熱，氧化物與CO2結合放熱，可用于熱量的儲存。MCO3

?

MO+CO2

M：Mg、Ca、Sr、Li、Na、K等

儲能密度高，可逆性好，安全性高。

反應溫度高，金屬氧化物易吸濕，存在燒結現象。2結晶水合鹽在低于其熔點的溫度下，使水合鹽脫去其結晶水，利用在脫水過程中吸收的水合熱來實現熱量的儲存。當需要回收熱量時，把脫去的水與脫水鹽接觸即可實現。AB·nH2O?

AB+nH2O結晶水合鹽進行熱化學儲能的關鍵：脫水。加入有機溶劑（如乙醇）或吸濕劑（富含微孔的材料）進行脫水。2結晶水合鹽優(yōu)點：反應條件及過程溫和、安全性高，環(huán)境友好，反應溫度低、拓寬了熱化學儲能技術的應用范圍。缺點：需要配合脫水劑使用，水合反應速率低、放熱效率低。2氨絡合物某些無機鹽與氨的絡合物也可用于熱化學吸附儲能。如：Co(NH3)6Cl2

。M(NH3)nXm

?

MXm+nNH3

M：活潑金屬；X：Cl、NO3等

儲能密度高，反應條件溫和。

存在安全性問題，成熟度較低。2熱化學儲能的應用主要應用：儲存太陽能太陽能→熱能→化學能→其它能量2熱化學儲能的應用可實現季節(jié)性儲能。2機械儲能Part.03抽水蓄能的發(fā)展概況1909年，瑞士建成世界第一座抽水蓄能電站Schaffhausen電站。當時，抽水蓄能電站的主要目的為蓄水，用以調節(jié)電站水量的季節(jié)性不均勻。上世紀60年代后，抽水蓄能電站開始迅速發(fā)展。抽水蓄能電站的主要功能變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)的調峰、調頻。3抽水蓄能的發(fā)展概況1960年至2000年，全世界抽水蓄能電站總裝機容量從350萬千瓦增至11328萬千瓦，增加了32倍。世界上抽水蓄能電站發(fā)展最快、裝機容量最大的是日本，其次是美國、意大利、德國、法國、西班牙等。33抽水蓄能的發(fā)展概況我國六十年代后期才開始研究抽水蓄能電站的開發(fā)，1968年和1973年先后在華北地區(qū)建成崗南和密云兩座小型混合式抽水蓄能電站。我國抽水蓄能電站建設雖然起步比較晚，但由于后發(fā)效應，起點卻較高，已經建設的大型抽水蓄能電站技術已處于世界先進水平。3抽水蓄能電站世界第二大抽水蓄能水電站——天荒坪電站天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣境內。電站裝機容量180萬kW，上水庫蓄能能力1046萬kW·h，其中日循環(huán)蓄能量866萬kW·h，年發(fā)電量31.6億kW·h，年抽水用電量42.86億kW·h，承擔系統(tǒng)峰谷差360萬kW任務。3抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站

廣州抽水蓄能電站位于廣州市從化區(qū)呂田鎮(zhèn)深山大谷中?？傃b機容量240萬千瓦，裝備8臺30萬千瓦具有水泵和發(fā)電雙向調節(jié)能力的機組。3抽水蓄能電站北京十三陵抽水蓄能電站

十三陵抽水蓄能電站位于北京十三陵風景區(qū)，電站裝機發(fā)電容量800MW，年發(fā)電量12億kW·h；抽水容量816MW，年抽水用電量16.5億kW·h。為京津唐地區(qū)提供可靠的調峰、調頻填谷和緊急事故備用電源。3抽水蓄能電站泰山抽水蓄能電站泰山抽水蓄能電站隸屬國網新源控股有限公司,是全國第四座大型抽水蓄能電站，山東省第一座大型水電站，裝機總容量為100萬千瓦，總投資43.26億元。3抽水蓄能的工作原理蓄能：在電力負荷低谷期，利用電站提供的剩余電量驅動水泵，將低水位庫中的水抽至高水位庫，電能轉為水的重力勢能。3抽水蓄能的工作原理釋能：在電力負荷高峰期，釋放高位水庫的水，驅動水輪機發(fā)電機組發(fā)電，將水的重力勢能轉換為電能。3抽水蓄能電站的構造3抽水蓄能電站的構造3抽水蓄能電站的構造1.上水庫：抽水蓄能電站的上水庫是蓄存水量的工程設施，電網負荷低谷時段可將抽上來的水儲存在庫內，負荷高峰時段由水庫放下來發(fā)電。3抽水蓄能電站的構造2.輸水系統(tǒng)：輸送水量的工程設施，在水泵工況(抽水)把下水庫的水量輸送到上水庫，在水輪機工況(發(fā)電)將上水庫放出的水量通過廠房輸送到下水庫。3抽水蓄能電站的構造3.地下廠房：地下廠房包括主、副廠房、主變洞、母線洞等洞室。廠房是放置蓄能機組和電氣設備等重要機電設備的場所，也是電廠生產的中心。3抽水蓄能電站的構造4.開關站及出線場3抽水蓄能電站的構造5.下水庫：負荷低谷時段可滿足抽水水源的需要，負荷高峰時段可蓄存發(fā)電放水的水量。3抽水蓄能電站的構造浙江天荒坪抽水蓄能電站工程示意圖3抽水蓄能電站的特點優(yōu)點：抽水蓄能技術是目前最成熟、應用最廣泛的大規(guī)模儲能技術，具有容量大，壽命長（經濟壽命80年以上）、效率高（65%-80%）、運行費用低的特點?？蔀殡娋W提供調峰、填谷、調頻、事故備用等服務，其良好的調節(jié)性能和快速負荷變化響應能力，對于有效減少新能源發(fā)電輸入電網時引起的不穩(wěn)定性具有重要意義。缺點：電站選擇上需要有水平間距小，上下水庫高度差大的地形條件，巖石強度高、防滲水性能好的地質條件，以及充足的水源保證發(fā)電用水的需求。另外還需要考慮上下水庫的庫區(qū)淹沒問題，水質的變化以及庫區(qū)土壤堿化等一系列環(huán)保問題。3抽水蓄能電站的類型按調節(jié)性能分：日調節(jié)、周調節(jié)、季調節(jié)按水頭高低分：100m以下的低水頭、100-700m的中水頭、700m以上的高水頭按布置特點分：地面式、地下式按機組類型分：四機式、三機式、兩機式按天然徑流條件分：純抽水蓄能、混合式抽水蓄能、調水式抽水蓄能3抽水蓄能電站的類型純抽水蓄能電站

上水庫無水源或水源很小，上下庫庫容相當，同體積的水體在上下庫中循環(huán)使用，靠下庫入流來補充蒸發(fā)和滲漏損失。廠房內機組全部是可逆式的抽水蓄能機組。

主要功能是調峰填谷、系統(tǒng)事故備用等任務，而不承擔常規(guī)發(fā)電任務。3抽水蓄能電站的類型混合式抽水蓄能電站

上水庫有水源，一般建在河川上，或利用天然湖泊。廠房內裝有水輪機常規(guī)機組和可逆式蓄能機組，前者利用天然徑流發(fā)電，后者則按需使用。

既用于調峰填谷、系統(tǒng)事故備用等任務，又承擔常規(guī)發(fā)電任務。3抽水蓄能電站的類型調水式抽水蓄能電站

跨河流，工作時，從位于一條河下游的水庫抽水至上游水庫，再從該上游水庫向另一條河放水發(fā)電。常規(guī)水輪機組和可逆式蓄能機組分別布置在兩條河流處。3抽水蓄能電站的選址地理位置地理位置盡量接近負荷中心，以減少輸電線路的電能損失。如：北京、上海、廣州、深圳、南京、杭州等大城市附近。上下水庫應接近天然水域，至少要保證初期蓄水和運行中的補水水源。下庫應盡可能利用已建成的水庫或湖泊3抽水蓄能電站的選址地質條件

較大地形差、不需在上水庫建高壩。所在位置能滿足，水頭盡可能高(H)，水道盡可能短(L)。一般，高水頭電站L/H:10~12；中水頭電站L/H:4~5。

地質條件良好且穩(wěn)定。減少電站的建設工程量，保證電站建成后穩(wěn)定運行。3壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能（CAES,CompressedAirEnergyStorage）利用多余的電能驅動空壓機壓縮空氣，將電能轉化為空氣的勢能與內能儲存起來。在需要時，釋放空氣的勢能與內能，轉化為電能。3壓縮空氣儲能一套完整的壓縮空氣儲能系統(tǒng)由以下部件組成：壓縮機、冷卻器、壓力容器、回熱器、渦輪機以及發(fā)電機。3壓縮空氣儲能壓縮機：將空氣壓縮，將電能轉化為空氣的勢能及內能。壓縮后，空氣壓力可達7-10MPa，溫度可達1000°C。冷卻器：熱交換設備，用于存入壓力容器前的冷卻，防止空氣在壓力容器或洞穴中壓力減少。壓力容器：存儲冷卻后的空氣，若采用洞穴存儲，則需要滿足耐壓程度較高、密封性較好的地質條件。33壓縮空氣儲能回熱器：熱交換設備或燃燒室，將空氣溫度提高至1000℃左右，使渦輪機持續(xù)長時間穩(wěn)定運行，以便于提高渦輪機效率。渦輪機：空氣通過渦輪機降壓，內能及勢能轉化為動能。發(fā)電機：在渦輪機帶動下，將動能轉化為電能。3壓縮空氣儲能的類型氣體壓縮時產生熱量，因此壓縮后的空氣溫度較高。相反地，氣體膨脹會吸收熱。根據儲能過程中控制熱量的方式不同，壓縮空氣儲能可分為非絕熱式、絕熱式兩種。非絕熱式：不干預空氣壓縮過程的產熱及膨脹過程的吸熱。絕熱式：調控空氣壓縮過程的產熱及膨脹過程的吸熱。3壓縮空氣儲能的類型非絕熱式壓縮空氣儲能：無熱源型：無任何控制。燃料燃燒式：儲氣過程無控制，但利用過程中，額外加入燃料作為熱源，輔助動能的轉化。壓縮機→儲氣裝置→渦輪機壓縮機→儲氣裝置→渦輪機燃料→3壓縮空氣儲能的類型非絕熱式壓縮空氣儲能：壓縮空氣時很大一部分能量，在壓縮空氣過程中轉化為熱能，非絕熱式壓縮空氣儲能對這部分熱能沒能有效利用，導致這種方式儲能效率低下。要想提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率，可以將壓縮過程中產生的熱量通過儲熱器存儲起來，待發(fā)電過程中用這部分熱量預熱壓縮空氣，達到回收熱量的目的。即絕熱式壓縮空氣儲能。3壓縮空氣儲能的類型絕熱式壓縮空氣儲能：儲熱裝置絕熱式儲能雖然效率高，但是制造難度過高。3壓縮空氣儲能的參數3壓縮空氣儲能的特點優(yōu)點啟動快能量密度和功率密度較高運營成本低自放電率低設備的使用壽命長，損耗低絕熱式效率較高，且不需要借助傳統(tǒng)化石能源加熱壓縮空氣，能夠真正做到碳中和3壓縮空氣儲能的特點缺點建設周期長，初次投資大需要大的巖洞以存儲壓縮空氣，對于絕熱系統(tǒng)，蓄熱器自放電率高對于非絕熱系統(tǒng)效率又比較低受地理條件限制，適合地點非常有限3壓縮空氣儲能的發(fā)展現狀國外投運或在建的壓縮空氣儲能電站共10處（投運5處，在建5處）。3壓縮空氣儲能的發(fā)展現狀中國科學院工程熱物理所從2005年開始基礎研究，到2009年關鍵技術研發(fā)，到2016年10MW技術工程示范，用了約10年時間，我國的新型壓縮空氣儲能技術完成了從追趕到領先的跨越。2020年9月開工建設的江蘇常州金壇直溪鹽穴空氣儲能項目3青海格爾木50MW壓縮空氣儲能（管線鋼管儲氣）利用青海豐富的風電、光電，轉化成壓縮空氣，改善其波動大的缺點。壓縮空氣儲能的發(fā)展現狀3液化空氣儲能液化空氣儲能（LAES）：利用多余的電能將空氣壓縮、液化，將電能轉化為空氣的勢能與內能儲存起來。在需要時，釋放液化空氣的勢能與內能，轉化為電能。3飛輪儲能的產生背景高速運行中的地鐵車輛地鐵進出站需要制動地鐵制動會產生能量的浪費可利用飛輪進行儲能3飛輪儲能的發(fā)展歷史20世紀50年代，瑞士蘇黎世Oerlikon公司開發(fā)出飛輪儲能巴士并投入實際運行多年，這種無引線電動車載客32人行進800m后充電2min，飛輪重1362kg，轉速3000r/min，飛輪置于氫氣中。70年代，美國十分重視電動汽車的研發(fā)，啟動了多個飛輪儲能電動車輛應用研發(fā)項目，但80年代紛紛因技術無法突破而終止。3飛輪儲能的發(fā)展歷史英國石油公司1984研制的400W·h復合材料飛輪儲能系統(tǒng)，用于車輛剎車動能再生，飛輪轉速為16000r/min（385m/s）時，功率可達到200kW，待機損耗2kW。持久實驗進行了18000次，1000h。1988年，蘇黎世聯(lián)邦理工學院研制出1套60kV·A/500W·h的飛輪UPS系統(tǒng)，轉速為12000～24000r/min，復合材料飛輪儲能密度為12W·h/kg。3飛輪儲能的發(fā)展歷史經過20年的技術積累，90年代后期，飛輪儲能系統(tǒng)實用產品逐步成熟，并得到商業(yè)化。1997年，美國BeaconPower推出2kW·h的飛輪儲能系統(tǒng)，飛輪轉速30000r/min，采用永磁/電磁混合支承，永磁無刷電機效率高達96%。3飛輪儲能的發(fā)展歷史早在上世紀80年代初期，中國科學院電工研究所就開始了飛輪儲能系統(tǒng)的探索，但之后國內沒有開展實質性的研究工作。直到上世紀90年代中期，在國外技術進步的影響下，國內的飛輪儲能技術研發(fā)才逐步興起。3飛輪儲能的發(fā)展歷史清華大學在1997年首次實現0.3千瓦時飛輪儲能樣機的充放電實驗。采用復合材料的第一代飛輪儲能系統(tǒng)，飛輪重8kg，直徑23cm，成功運轉到48000rpm，實現了充放電功能。1999年研制出第二代飛輪，重15kg，直徑30cm，于2001年成功運轉到70000rpm，儲能500Wh。3飛輪儲能的發(fā)展歷史北京航空航天大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等機構還開展了飛輪儲能電源的航天應用研究。其中北航房建成教授帶領的團隊所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪技術”項目，獲得了2007年度國家技術發(fā)明一等獎。3飛輪儲能飛輪儲能(FlywheelEnergyStorage,

FES)：將能量以動能的形式儲存在高速旋轉的飛輪中。3儲能時，電動機帶動飛輪高速旋轉，電能轉變?yōu)轱w輪的動能。E：動能，J：轉動慣量，ω：角速度飛輪儲能的工作原理

釋能時，高速旋轉的飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，動能轉變?yōu)殡娔堋?飛輪儲能系統(tǒng)的結構飛輪儲能系統(tǒng)由轉子、高速軸承、雙饋電機、電力轉換器和真空安全罩組成。3飛輪儲能系統(tǒng)的結構轉子：飛輪系統(tǒng)儲能的量由轉速和轉動慣量決定。轉速越大，能量越高。

最大轉速由飛輪材質決定。飛輪需選用低密度、高強度的材料，如：碳纖維、玻璃纖維-環(huán)氧樹脂復合材料等。3飛輪儲能系統(tǒng)的結構軸承：軸承系統(tǒng)用于克服摩擦阻力，以降低飛輪動能的損耗。主要有：機械軸承、永磁軸承、超導軸承、主動磁軸承等種類。3飛輪儲能系統(tǒng)的結構真空安全罩：飛輪轉子轉速非常高（幾萬轉每分鐘）。為了減少空氣阻力對高速旋轉飛輪的影響，需要提供一個真空環(huán)境。封閉的外殼和需要較高的機械強度以保證安全。3飛輪儲能目前飛輪儲能技術主要有兩大分支：第一個分支是以接觸式機械軸承為代表的大容量飛輪儲能技術，其主要特點是儲存動能、釋放功率大，一般用于短時大功率放電和電力調峰場合。第二個分支是以磁懸浮軸承為代表的中小容量飛輪儲能技術，其主要特點是結構緊湊、效率更高，一般用作飛輪電池、不間斷電源等。3飛輪儲能的特點(1)能量密度高：儲能密度可達100-200wh/kg，功率密度可達5000-10000w/kg。

(2)能量轉換效率高：工作效率高達百分之90。

(3)體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。

(4)工作溫度范圍寬：對環(huán)境溫度沒有嚴格要求。

(5)使用壽命長：不受重復深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行，預期壽命20年以上。

(6)低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護周期長。3飛輪儲能的關鍵技術為提高飛輪的轉速和降低飛輪旋轉時的損耗，飛輪儲能的關鍵技術包括高強度復合材料技術、高速低損耗軸承技術、高速高效發(fā)電/電動機技術、飛輪儲能并網功率調節(jié)技術、真空技術等。3飛輪儲能的應用交通運輸制動時的能量回收3飛輪儲能的應用智能電網電網的快速調峰調頻3飛輪儲能的應用航空航天航天器的姿態(tài)控制及能量儲存3飛輪儲能的應用UPS電源濟南文化藝術中心，第十屆中國藝術節(jié)配備了兩臺飛輪儲能發(fā)電車，合計容量達到了1750千伏安，確保不間斷供電。不間斷電源3飛輪儲能的應用軍事航母的電磁彈射、坦克低噪聲電源及新式武器3飛輪儲能的發(fā)展趨勢作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學電池無法比擬的優(yōu)點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術的發(fā)展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發(fā)展。現在，最可能出現的是手機電池?？梢灶A見，伴隨著技術和材料學的進步，飛輪電池將在未來的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。3電化學儲能Part.04電化學儲能概述電化學儲能是利用介質將電能儲存起來并在需要時釋放的儲能技術及措施，這個儲能的介質就是電池。電池又可分為一次電池和二次電池。一次電池就是我們日常生活中的干電池，它只能將化學能轉變成電能，放電后不能再充電使其復原，不可重復使用。二次電池又稱為充電電池或者蓄電池，可以實現化學能和電能之間的多次轉化，可以重復使用。用于電化學儲能的介質便是可以重復使用的二次電池。4電化學儲能概述電化學儲能電站主要由電池組、電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，簡稱BMS）、能量管理系統(tǒng)（EnergyManagementSystem，簡稱EMS）、儲能變流器（PowerConversionSystem，簡稱PCS）以及其他電氣設備構成4電化學儲能概述電化學儲能電站的電池組一般采用電池艙的方式構建，電池艙采用標準集裝箱進行安裝，其中包含若干電池簇。電池簇由多個電池模組組成，電池模組又由若干個單體電池采用串并聯(lián)的方式組織而成。4電化學儲能概述依據所用單體電池的不同，電化學儲能系統(tǒng)可分為鋰離子電池、鈉離子電池、鉛蓄電池（鉛酸電池及鉛炭電池的總稱）、液流電池、鈉硫電池等。雖然各類二次電池的工作方式不同，但是其儲能原理都類似，都是基于某種可逆的化學反應，在加電時，通過電壓驅動化學反應進行，實現電能到化學能的轉換；待到用電時，逆反應的發(fā)生則可驅動電子在外界電路中流動，即實現儲存的化學能到電能的轉換。4電化學儲能概述不同的電池類型都有各自的特點，為大規(guī)模儲能應用的不同需求提供了多樣化的選擇。其中，鋰離子電池是目前產業(yè)化應用最為廣泛的電化學儲能技術路線，其他電池系統(tǒng)也在逐漸發(fā)展成熟。4電化學基本過程電流金屬e-e-e-e-e-鹽溶液B-B-B-A+A+A+導體4電化學基本過程電流金屬鹽溶液B-B-e-e-界面B-e-BB-→B+e-

導體4電化學基本過程電流金屬鹽溶液e-e-A+B-BB-→B+e-

AA++e-→A陽極陰極總反應：A+B-→A+B4電化學基本過程電流金屬鹽溶液e-e-A+B-BB-→B+e-

AA++e-→A電源電解能量4電化學基本過程電流金屬鹽溶液e-e-A+B-BB-→B+e-

AA++e-→A電器電池能量4電能是一種清潔能源。電能的使用使得人類邁入真正舒適文明社會。電能的儲存（電池）至關重要。電池的使用數量可作為社會文明發(fā)展的重要參考。第一部分化學電源基礎化學電源41799年伏打電池的出現使人們第一次獲得了比較強的穩(wěn)定而持續(xù)的電流，為科學家們從對靜電的研究轉入對動電的研究創(chuàng)造了物質條件，導致了電化學、電磁聯(lián)系等一系列重大的科學發(fā)現。由于它的誕生，19世紀的第一年成了電氣文明時代生活的開端。第一部分化學電源基礎化學電源的發(fā)展41936年在伊拉克首都巴格達附近考古時發(fā)掘到一個大約2000年以前（公元前248年至226年之間）的由Fe和Cu組成的類似電池裝置。所以也有人認為這才是化學電源的最早發(fā)明。巴格達電池化學電源的發(fā)展4化學電源(電池)是將化學反應產生的能量直接轉化成電能或實現化學能與電能循環(huán)轉化的裝置。1859年普蘭特(Pantle)成功試制了鉛酸電池1868年勒朗謝(Lelanche)研制成功以NH4Cl為電解液的Zn-MnO2

電池1888年加斯納(Gassner)制出了Zn-MnO2

干電池1895年瓊格(Junger)發(fā)明了Cd-Ni電池第一部分化學電源基礎化學電源的發(fā)展41900年愛迪生(Edison)研制了Fe-Ni蓄電池1960年代：“雙子星座”和“阿波羅”飛船應用了H2-O2

燃料電池1970年代：中東戰(zhàn)爭導致的能源危機促使燃料電池、鈉硫電池、鋰－硫化鐵電池得到廣泛研究1980年代：氫鎳電池發(fā)展迅速1990年代：嵌入化合物鋰離子電池，成為目前應用最廣泛的化學電源?；瘜W電源的發(fā)展4電解質種類電池所用正負極材料工作特性和儲存方式電池的分類分類標準：4以電解質種類分類：

堿性電池→電解質以KOH溶液為主，如堿性鋅錳電池（俗稱堿錳電池或堿性電池）、鎳鎘電池和鎳氫電池

酸性電池→電解質以硫酸水溶液為主，如鉛 酸電池

中性電池→電解質為鹽溶液，如鋅錳電池

有機電解質電池→電解質為有機溶液，如鋰 電池、鋰離子電池電池的分類4以電池所用正負極材料分類：

鋅系列電池→鋅錳電池和鋅銀電池等

鎳系列電池→鎳鎘電池和鎳氫電池等

鉛系列電池→鉛酸電池等

鋰系列電池→鋰離子電池和鋰錳電池等

二氧化錳系列電池→鋅錳電池和堿錳電池

空氣（氧氣）系列電池→鋅空氣電池電池的分類4以工作特性分類：

一次電池→又稱原電池，即不能再次充電的電池，如鋅錳電池、銀鋅電池和鋰電池等

二次電池→又稱蓄電池，即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等

燃料電池→正、負極本身不包含活性物質，需要連續(xù)不斷從外部加入活性材料的電池

儲備電池→電池儲備時不直接接觸電解質，直到電池使用時，才加入電解液，如鎂氯化銀（海水電池）。

電池的分類4

電極系統(tǒng)：如果系統(tǒng)由兩個相組成，一個相是電子導體(叫電子導體相)，另一個相是離子導體(叫離子導體相)，且通過它們互相接觸的界面上有電荷在這兩個相之間轉移，這個系統(tǒng)就叫電極系統(tǒng)。電池的基本術語

電極系統(tǒng)將一塊金屬(比如銅)浸在清除了氧的硫酸銅水溶液中，就構成了一個電極系統(tǒng)。在兩相界面上就會發(fā)生下述物質變化：Cu(M)→Cu2+(Sol)+2e-

4

半電池：電池的一半，通常一個電極系統(tǒng)即構成一個半電池，連接兩個半電池構成電池。

電對：在原電池的每一個電極中，一定包含一個氧化態(tài)物質和一個還原態(tài)物質。一個電極中的這一對物質稱為一個氧化還原電對，簡稱電對，表示為：氧化態(tài)/還原態(tài)(如：Zn2+/Zn，Cu2+/Cu，Fe3+/Fe2+，I3-/I-，H+/H2等)。注意：無論它作正極還是負極，都表示為“Ox/Re”。電池的基本術語4

電極(electrode)：電對以及傳導電子的導體，其作用為傳遞電荷，提供氧化或還原反應的地點。電極通常用電極符號來記錄，具體為：電子導電材料|電解質，如：Zn|Zn2+，Cu|Cu2+，(Pt)H2|H+。電池的基本術語

充電與放電（charge&discharge）：化學能轉化為電能——放電；電能轉化為化學能——充電。4

電極的類型：在電化學中，按照發(fā)生的電極反應來確定

陽極(anode)——發(fā)生氧化反應的電極

陰極(cathode)——發(fā)生還原反應的電極

在物理學中，按電勢高低來確定：

正極(positiveelectrode)——電勢高的電極

負極(negativeelectrode)——電勢低的電極電池的基本術語4

電極的類型：在電池中：

陽極=負極——發(fā)生氧化反應、電勢低

陰極=正極——發(fā)生還原反應、電勢高

在電解中：

陽極=正極——發(fā)生氧化反應、電勢高陰極=負極——發(fā)生還原反應、電勢低電池的基本術語4

電極反應：在電極系統(tǒng)中伴隨著兩個非同類導體相之間的電荷轉移而在兩相界面上發(fā)生的化學反應，就在電極上進行的有電子得失的化學反應。

電池反應：兩個電極反應的總和。電池的基本術語電池反應：A+B-→A+BB--e-→BA++e-→A正極反應：負極反應：4

電池符號：1、負極寫左邊，正極寫右邊；2、按順序從左到右依次排列各個相的組成及相態(tài)；3、單實線表示相之間的界面，雙虛線表示“鹽橋”；4、溶液應注明濃度，氣體應注明分壓；5、若含有兩種離子參與電極反應，用逗號分開；6、當無金屬參與反應，用惰性電極Pt或C；7、有g(純)、l(純)或s(純)，挨惰性電極寫。8、在涉及氧的氧化數變化時，電池符號中應列入H+和OH-(-)Pt,H2(g,pΘ)|HCl(s,0.1mol?L-1)|Cl2(g,0.5pΘ),Pt(+)電池的基本術語4半電池:

Zn-ZnSO4Cu-CuSO4電對:

Zn2+/ZnCu2+/Cu電極反應:

正極Cu2++2e=Cu負極Zn–2e=Zn2+電池反應：電池符號：Zn-Cu原電池CuSO4+Zn=Cu+ZnSO4

(-)Zn|Zn2+(m1)||Cu2+(m2)|Cu(+)4熱化學反應電化學反應反應質點必須接觸反應質點彼此分開電子轉移路徑短，且電子無規(guī)則運動電子轉移路徑長，且是有序運動活化能來自于分子碰撞，反應速率取決于溫度活化能來自于電能，反應速率取決于電勢釋放能量的形式：熱釋放能量的形式：電能熱化學和電化學的對比4任何電池都由四個基本部分組成，即由電極、電解質、隔離物及外殼組成。電池的組成4(1)電極：電極是電池的核心部分，由活性物質、導電材料和添加劑組成，有時還包含集流體。

活性物質是能夠通過化學變化將化學能轉變?yōu)殡娔艿奈镔|，導電骨架主要起傳導電流、支撐活性物質的作用，電池內的電極又分正極和負極。導電材料也常用作集流體，如圖所示鉛銻合金柵架和泡沫鎳(MH-Ni電池常用導電材料)；電池的組成4(2)電解質負責正負極之間的電荷傳輸，電解質一般是酸、堿、鹽的溶液。

很多電池的電解質有較強的腐蝕性，所以無論電池是否用過，都不要拆解電池。電池的組成4(3)隔離物

防止正、負極短路，但充許離子順利通過。在電池內部，如果正負兩極材料相接觸，則電池出現內部短路，其結果如同外部短路，電池所貯存的電能也被消耗。所以，在電池內部需要一種材料或物質將正極和負極隔離開來，以防止兩極在貯存和使用過程中被短路，這種隔離正極和負極的材料被稱作隔離物。隔離物可分三大類：板材，如鉛酸電池用的微孔橡膠隔板和塑料板；膜材，如漿層紙、無紡布、玻璃纖維等；膠狀物，如漿糊層、硅膠體等。電池的組成4(4)外殼主要作容器。電池的殼體是貯存電池其它組成部分(如電極、電解質、隔離物等)的容器，起到保護和容納其它部分的作用，所以一般要求殼體有足夠的機械性能和化學穩(wěn)定性，保證殼體不影響到電池其它部分的性能。為防止電池內外的相互影響，通常將電池進行密封，所以還要求殼體便于密封。電池的組成41.

電池電動勢與開路電壓

電池電動勢：正負極的平衡電位之差。

開路電壓：電池不放電時，電池兩極之間的電位差。

由此可以明確地看出，若正極的電位越正，負極的電位越負，電池的電動勢也就越高。電池的性能參數電池電動勢的大小取決于電池的本性及電解質的性質與活度，而與電池的幾何結構等無關。即：通常開路時并非平衡電極電位，而是穩(wěn)定電極電位。但一般可近似認為電池的開路電壓就是電池電動勢。：4元素中以Li的電位為最負：

氟的電位為最正：

若做成鋰氟電池，其電池電動勢可達5.91V。這是化學電源中電動勢最高的數值。

應當注意的是，在選擇電極活性物質時，不能只看平衡電位數值的高低，還要看（1）它在介質中的穩(wěn)定性（2）材料來源（3）電化當量等多方面的因素。例如Li－F2,若組成電池，它具有很高的電動勢，但由于Li只適用于非水溶劑電解質，F2是活性的氣體，不易儲存和和控制，因而由單質Li與F2組成電池是不切合實際的。電池的性能參數4

一般的化學電源都是采用水溶性電解質。在電位較負的金屬中，以鋅、鉛、鎘、鐵最為常用。因在相應的電解質中具有較好的耐腐蝕性，在電位較正的活性物質中，常用的有二氧化錳、二氧化鉛、氫化鎳、氧化銀等，它們在水溶液中都很穩(wěn)定，溶解度小，材料來源廣。

在以上所討論的電動勢是指體系達到熱力學平衡后的電動勢。但實際上有許多電極體系在水溶液中，即使開路時，也達不到熱力學上的平衡狀態(tài)。電池的性能參數42.電池的工作電壓和放電曲線（1）工作電壓：當電池有電流通過時，這時正、負極兩端的電位差，即為工作電壓（放電電壓）。

由于電流通過電池回路時使電極產生電極極化和歐姆極化，這時的工作電壓總是低于電動勢。即：

，分別為電流通過正，負極時的工作電位。I為放電電流R為電池內阻。電池的性能參數4放電時間一般放電時間長，電壓低放電流密度一般放電流密度大，電壓低放電深度一般放電深度低，電壓低（2）放電曲線

若在指定負載和溫度下放電時，把電池的電壓隨時間的變化作圖，就可以得到電池的放電曲線。電池的性能參數影響工作電壓的因素：4根據電池的放電曲線，通常可以確定電池的放電性能和電池的容量通常電池的放電曲線越平坦、穩(wěn)定、電池的性能就越好電池的容量大小放電時間的長短，取決于放電的終止電壓（不宜再繼續(xù)放電的電壓）。通常放電電流大時，終止電壓可低些，放電電流小時，終止電壓可高些。常用平均工作電壓來衡量電池的電壓特性。電池的性能參數43.

電池的容量

電池的容量是指給定條件下，電池放電至終止電壓時所能釋放的電量（Ah)。電池的容量通常分為：理論容量C0：理論容量是根據活性物質的重量按法拉第定律計算出的電量。實際容量C：實際容量指在一定的放電條件下電池所能給出的電量。

電池的性能參數C0=26.8*n/M,n:得/失電子數M:活性物質分子量4實際容量的計算：（1）若是恒電流放電（2）恒電阻放電由于恒電阻放電時，I是不斷變化的，故要通過積分的方法計算：

額定容量CP：設計和制造電池時，規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應該放出的最低限度的容量。電池的性能參數44.電池的能量

電池的能量指電池在一定的放電條件下，所能給出的能量，通常用瓦·時（W·H)表示。電池的能量分類為：（1）理論能量：從熱力學上看，電池的理論能量等于可逆過程電池所能做的最大有用功：（2）電池的實際能量：2.恒電阻放電時1.恒電位放電時電池的性能參數4（3）比能量體積比能量：單位體積電池輸出的能量重量比容量：單位重量電池所能輸出的能量

總之：在評定電池的質量或是在開發(fā)新的電源時，對電池的比能量是常常需要考慮的一個指標。A.理論比能量：單位電池反應物質反應完全后，理論上所能給出的電能。B.實際比能量：單位電池反應物質在實際放電時所能給出的電能。電池的性能參數45.電池的功率

在一定的放電條件下，單位時間內電池所能給出的能量，稱為電池的功率（W，KW)。

單位重量或單位體積電池輸出的功率，稱為電池的比功率（W/Kg，W/L).

比功率是電池的重要性能之一。一個電池的比功率越大，表示它可以承受的放電電位越大，或者說其可以在高倍率下放電。電池的性能參數46.電池的儲存性能和自放電

化學電源的特點之一是在使用時能夠輸出電能，不用時能夠保存能量。因而好的電池具有較好的儲存性能。所謂的放電性能是指在一定條件（一定溫度、濕度等）下，儲存時容量的下降率。通常表示為：Q。、QT分別為電池儲存前后的容量，t為儲存的時間，一般用天、月、年計算。電池的性能參數4

容量的下降率主要是由電池的自放電引起的，故也叫自放率。

從熱力學上看，產生自放電的根本原因是由于電極活性物質在電解液中不穩(wěn)定引起的。因大多數的負極活性物質是活潑的金屬，它在水溶液中的還原電位比氧負極要負，因而會形成金屬的自溶解和氫析出的共軛反應。使負極活性物質不斷被消耗。同樣,正極活性物質也會與電解液或電極中的雜質發(fā)生作用被還原而產生自放電。電池的性能參數4

另外電池的自放電也有可能由正負極之間的微短路或正極活性溶解轉移到負極上去而引起自放電。這時必須采用良好的隔膜來解決。

另外還可以采用低沉和干荷電儲存，都可減少自放電，而使電池的儲存壽命延長。

克服自放電的方法，一般是采用高純的原材料，或在負極材料中加入氫過電位高的金屬（Hg，Cd，Pb)，或在電極或溶液中加入緩蝕劑來抑制氫的析出等。電池的性能參數4充電時，直流電源的正極與電池的正極相連，負極與直流電源的負極相連。這時電池的端電壓稱為充電電壓，電池的充電電壓總是高于它的電動勢，其關系式如下：

r為電極的等效極化電阻R為R+、R－等歐姆電阻之和電池的性能參數7.電池的充電特性

電池放電后，用一個直流電源對它充電，即此時發(fā)生的電極反應恰是放電反應的逆反應。這樣使電極活性物質得到恢復，電池又可重復使用，充電過程是一個電解過程。4

電池的充電方法有恒流法和恒壓法，通常使用的是恒電流法。

隨著充電的進行，活性物質不斷被恢復（負極物質還原，正極活性物質氧化），電極反應存積不斷縮小，充電電流密度不斷增大，使電極的極化不斷增大。造成能量的損耗?；谠诔潆娺^程中有能量的損耗，因而就有一個充電效率的問題。充電效率：指電池在充電過程中所消耗的電能轉化成電池所能儲存的化學能程序的量度。電池的性能參數48.電池的循環(huán)壽命

電池經歷一次完整的充電和放電，稱為一次循環(huán)（或稱一個周期）。在一定的放電制下，當電池的容量降到某一定值之前，電池所能承受多少次充放電，稱為電池的使用周期（或稱循環(huán)壽命）。周期越長，表示電池的性能越好。電池的性能參數

不同的電池使用周期是不相同的，例如：一般說來，Fe－Ni，Cd－Ni電池的使用壽命可達數千次。鉛蓄電池約300－500次，Zn－Ag電池約40－100次。

另外，電池的使用壽命與放電深度、沉度、充放電率等條件都有關。4鉛酸電池鉛酸電池(Lead-AcidBattery,LAB)，又稱鉛酸蓄電池、鉛蓄電池，是指正負極活性物質分別是二氧化鉛和鉛、由硫酸水溶液做電解液的二次電池。4鉛酸電池的發(fā)展1859年法國Plante發(fā)明鉛酸蓄電池AGM隔離板美國Gate公司1971年1957年德國陽光公司膠體技術涂膏式鉛銻合金板柵1882年4鉛酸電池鉛酸電池具有價格低廉、可靠性高、維護簡單等優(yōu)點。由于鉛對人體有害、硫酸污染環(huán)境、腐蝕設備，因此應用領域受到限制。雖然有被鎳氫、鋰離子電池等取代的趨勢，但由于價格、安全、可靠性等原因仍將占據二次電池的大部分市場。4鉛酸電池的工作原理雙極硫酸鹽化理論：放電正、負極都生成硫酸鉛。4鉛酸電池的分類富液式：普通鉛酸電池。不能臥式放置，需經常加水加酸和調整酸的濃度等復雜維護；酸液揮發(fā)會污染環(huán)境并腐蝕設備。貧液式：閥控式密封電池。電池以安全閥密封，內壓過大時開閥排氣，內部無游離酸。4閥控密封鉛酸蓄電池閥控式密封鉛酸蓄電池（ValveRegulatedLeadAcidBattery，VRLA電池）電解質吸附于AGM隔板中或者變成膠