碳中和技术概论 课件汇 张玉清 第7、8章 储能技术 -智能微电网应用技术

第7章储能技术CONTENTS目录储热技术PART

02机械储能PART

03电化学储能PART

04电磁储能PART

05储能技术概述PART

01储能技术概述Part.01储能的目的1随着人口的增长和经济的发展，人们对能源的需求越来越大，能源问题也越来越突出，主要表现为以下两方面：

能源危机：目前的煤炭、石油、天然气等主流能源都是不可再生能源。

环境问题：化石燃料的开发利用过程带来了严重的大气污染、水污染、温室效应、酸雨等环境问题。能源问题储能的目的能源问题的应对方案许多国家都在加速发展新能源技术，以此来应对能源问题。我国更是顺应潮流，提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的“双碳”目标。1储能的目的我国新能源发展现状在努力实现“双碳”目标的背景下，光伏、风能、生物质能等可再生新能源的建设规模和速度逐渐加快，其发电接入电网的比例也日益增加。截至2022年底，可再生能源装机突破12亿千瓦，达到12.13亿千瓦，占全国发电总装机的47.3%。预计到2050年，新能源发电并网装机容量将达到20亿kW以上，届时将成为中国第二大主力电源。1储能的目的我国新能源发展现状我国的经济发展及用电量状况又与一次能源的分布呈现负相关，即经济发达、用电量高的地区一次能源少，经济欠发达、用电量低的地区一次能源多。资源与需求的不平衡性决定了我国新能源发电的接入电网的方式，多为集中式大规模接入电网。1储能的目的我国新能源发展中的问题第一：新能源存在的波动性和间歇性。如果不经处理直接将新能源发电接入电网，会给电网带来巨大的不稳定性。大规模的新能源发电接入电网固然可以提升能源的整体清洁程度，但是同时存在两个不可忽略的重要问题：以太阳能发电为例，夏季秋季发电多、春季冬季发电少；白天发电多、傍晚和晚上不发电。1储能的目的我国新能源发展中的问题第二：可再生能源的消纳问题。资源与需求的不平衡性决定了我国新能源发电接入电网的方式多为集中式大规模接入电网，即大规模集中开发的风能、太阳能发电需要输送到其他地区的区域电网或跨省电网进行消纳。但是由于目前集中开发太阳能和风能的地区的电网调峰能力不足，可再生能源的消纳就成了一个大问题，以至于为此不得不在特定时间段使许多风力发电、光伏发电机组停止运行，以维持电网稳定。这使得部分地区的弃风率、弃光率惊人，造成了巨大的经济损失。1储能的目的储能的概念为了解决上述问题，储能的概念即被引入新能源的开发之中。由于获得的能量和需求的能量往往不一致，为了保证能量的利用过程能够连续进行，就需要对某种形式的能量进行储存，即储能或蓄能。储能的目的：克服能量供应和需求在时间、空间上的差别。1储能的目的储能在新能源利用中的作用其一，储能可以保证电力系统稳定。光伏电站系统中，太阳电池发电的输出功率曲线与负荷曲线之间存在较大差异，并且两者均存在某些不可预料的波动。通过储能系统的能量存储，可以起到很好的缓冲作用，从而使得电力系统即使在输入及负荷发生不可预料波动的情况下，仍然能够相对平稳的运行。1储能的目的储能在新能源利用中的作用其二，储能可将能量储存起来以备他用。可以在光伏发电无法正常运行的情况下（夜间、阴雨天）调用储能系统中储存的电能以满足负荷的需求，起到备用和过渡的作用。1储能的目的储能在新能源利用中的作用其三，储能还有助于提高电力的品质和可靠性。储能系统的存在可有效降低负载中电压低谷、电压尖峰、突发干扰等引起的电网波动对电力系统的影响，从而保证电力输出的品质与可靠性。1储能的基本原理能量能量是一切物质运动、变化、相互作用的度量。能量的存在形式：机械能（风能、潮汐能等）内能（地热能等）电能化学能光能原子能（又称核能）1储能的基本原理能量的基本性质状态性：能量总是处于一定的形式。可加性：同种能量可相互叠加。传递性：能量可以从一个物体传递到另一个物体。转换性：能量可以从一种形态转换为另一种形态。能量利用的过程实质上就是能量的转换与传递。1储能的基本原理储能的基本原理能量的传递性与转换性是储能之所以能实现的基础。利用不同形式能量之间的相互转化，即可将某种形式的能量转化成另一种可储存的形式，从而实现能量的储存。更具体地：通过一定的介质或装置，将某种形式的能量转换成另一种在自然条件下比较稳定的存在形式，并可根据应用的需求以特定的形式释放能量，这就是储能的基本原理。1储能技术的类型储能技术类型按照储能时转化并储存的能量形式的不同，储能可分为机械储能、电化学储能、电磁储能、热储能、化学储能等储能方式，分别对应着不同的场景。1各类储能技术装机规模全球电力储能市场累计装机规模（MW%，2000~2022）储能技术的类型1各类储能技术装机规模中国电力储能市场累计装机规模（MW%，2000~2022）储能技术的类型1各类储能技术性能特征储能技术的类型储能类型储能技术储能时长响应时间释能时长综合效率寿命技术成熟度热储能显热储能相变储能热化学储能短时长时超长时min级s~min级min级h级h级h级20%~30%30%~50%20%~40%20年以上10~15年10~20年成熟商业化早期开发阶段机械储能抽水蓄能长时s~min级1~24h75%~85%60~70年成熟压缩空气储能长时min级1~24h70%~80%30~40年成熟飞轮储能短时ms~min级ms~min级93%~95%20年以上商业化早期电化学储能锂离子电池长时ms~min级min~h级90%~95%5~15年商业化钠离子电池长时ms~min级min~h级90%~95%5~15年商业化早期铅蓄电池中长时ms~min级min~h级75%~90%5~10年商业化液流电池长时ms级h级60%~85%10~15年商业化早期钠硫电池中长时ms级h级80%~90%10~15年商业化早期电磁储能超级电容器短时ms级ms~min级90%~95%20年以上开发阶段超导储能长时ms级s级95%~98%20年以上开发阶段化学储能氢能超长时ms~min级h级30%~40%10~20年开发阶段电转甲烷超长时ms~min级h级25%~30%10~20年开发阶段1储能技术发展现状目前，除了抽水蓄能较成熟之外，其它的储能方式均处于新兴阶段，属于新型储能技术，仍有进步空间。抽水蓄能与其它新型储能方式各有优缺点，在当前形势下，两者可互补发展。但从长远的可持续性来看，抽水蓄能电站容量大，寿命期长，运行成本低，安全可靠性高，仍应作为电力系统最主要的储能手段和调节电源；抽水蓄能以外的新型储能技术，具有精准控制、快速响应、灵活配置和四象限灵活调节功率等特点，能够为电力系统提供多时间尺度、全过程的平衡能力、支撑能力和调控能力，是构建以新能源为主体新型电力系统的重要支撑技术。储能技术的类型1储热技术Part.02储热与蓄冷热能(或冷能)的使用过程中，在时间和空间上存在供求不匹配的矛盾。需要引入储能技术（储热与蓄冷），来解决上述矛盾。储热蓄冷2热能(或冷能)的储存热能(或冷能)储存的主要方式：显热储能：每一种物质均具有一定的热容，在物质形态不变的情况下随着温度的变化，它会吸收或放出热量，显热储能技术就是利用物质的这一特性。其储热效果和材料的比热容、密度等因素关系密切。显热储能、潜热储能、热化学储能。2显热储能利用价格低廉、来源方便、比热容大的水作为储能介质来储存热量，是最为常见的显热储能方式。显热储能的特点：原理简单、材料来源丰富、成本低廉、运行系统结构简单、使用方便；储能密度小、储能装置体积大、难以实现大规模应用。2潜热储能潜热储能：利用材料在发生物相变化时吸收或释放大量的潜热来进行热量的储存。故而，又称为相变储能。相变潜热：物质从一种相态转变成另一种相态（即相变）的过程中，伴有能量的吸收或释放，这部分能量称为相变潜热。相变潜热的大小取决于材料的种类及其相变的状态。2潜热储能潜热储能的优点：储能密度极高；所用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理；在相变储能过程中，材料近似恒温，便于控制体系的温度。潜热储能的应用：热机、废热回收、太阳能储存以及供暖和空调系统等。2热量储存的方式对比储能密度方面：潜热储能>显热储能标准大气压下，水的液化潜热为355kJ/kg；而比热为4.2kJ/(kg℃)，若将水从25℃加热至50℃，其显热为105kJ/kg.使用便利度方面：潜热储能>显热储能相变过程温度不变，显热过程温度不断变化。相较于显热储能，相变储能优势明显，是更好的热量储存方式。温度时间2相变的形式(1)固气升华凝华(2)液气汽化液化(3)固液熔化固化(4)固固再结晶相变过程体积变化太大，很少实际利用相变过程体积变化小，可用于实际应用相变潜热太小，应用不广泛相变潜热较大，最具实用价值SolidLiquidGas2相变储能材料相变储能材料，简称相变材料（phasechangematerial,PCM）：广义上，指能被利用其在物态变化时所吸收或释放的大量热能用于能量储存的材料。狭义上，指在固—液相变时，储能密度高、性能稳定、相变温度合适，能够应用于相变储能技术的材料。

只有能够经受足够长次数的熔化-凝固循环，而保持其物理化学性质不变的材料，才能成为相变材料。储能密度高储放能恒温可循环使用2相变材料的评价标准1.热力学标准：

相变点：在需要的温度范围内。

相变焓：相变焓大，同样质量的相变材料所储存的能量更多。

密度：密度大，所需体积小。

比热容：比热大，可以提供额外的显热效果。

热导率：热导率大，有利于快速储热及提热。

体积变化：相变体积变化小，有利于存放。2相变材料的评价标准2.动力学标准：

过冷度：小过冷度或无过冷度，有利于储能过程的顺利进行。过冷现象是指，在一定压力下，当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点，但液体仍不凝固的现象。过冷现象阻碍了相变的发生，不利于储能。通常会在相变材料中加入成核剂来抑制过冷现象。水的过冷现象2相变材料的评价标准3.化学标准：

稳定性：化学性质稳定利于长期使用。

腐蚀性：应该对容器无腐蚀性。

无毒性、无爆炸性、不可燃。

廉价、可大量获得。4.经济标准：优先考虑合适的相变温度和较大的相变潜热，而后再考虑其它因素。2相变材料的分类按照相变温度的范围来分类：

高温相变材料（250℃以上）

中温相变材料（100~250℃）

低温相变材料（100℃以下）2相变材料的分类按照材料的组成成分来分类：2相变材料的分类有机、无机相变材料对比：有机相变材料无机相变材料优点相变温度分布范围广，选择面广无过冷和相分离现象化学性能、热性能稳定与传统材料兼容性好单位体积的相变潜热高热传导性好相变时体积变化小不易燃烧缺点单位体积的相变潜热低固态时的热传导性差密度小、易燃烧过冷、相分离问题严重热性能不稳定，具有一定的腐蚀性2无机相变材料1.结晶水合盐中低温相变材料，温度为几到一百多摄氏度。结晶水合盐通式：

相变机理：超过熔点后，水合盐失去结晶水，这部分结晶水将水合盐溶解。

加热（T>Tm）冷却（T<Tm）

加热（T>Tm）冷却（T<Tm）

2无机相变材料1.结晶水合盐常用的结晶水合盐：Na2SO4·10H2O,MgCl2·6H2O,CaCl2·6H2O结晶水合盐的特点：使用范围广、价格低廉、导热系数大、熔解热大、密度较大、单位体积储热密度大、一般呈中性。存在过冷现象及相分离现象。2无机相变材料过冷问题：物质冷却到冷凝点时并不结晶，而需要到冷凝点以下一定温度才开始结晶。导致物质不能及时发生相变，从而影响热量的及时利用。产生原因：水合盐结晶时的成核性能差。解决办法：提高成核性。(1)加成核剂。如在芒硝中加入硼砂作为成核剂。(2)冷指法：保留一部分冷区，使为融化的晶体作为成核剂。2无机相变材料相分离问题：温度上升时，释放出的结晶水数量不足以溶解所有非晶态脱水盐，由于密度差异，这些未溶脱水盐沉降到容器底部。当温度下降时，沉底的脱水盐无法与结晶水结合，使得相变无法继续，形成相分层，造成储能能力逐渐下降。解决办法：(1)加增稠剂(3)摇晃或搅动(2)加晶体结构改变剂(4)采用薄层结构的容器2无机相变材料2.熔融盐中高温相变材料，温度为几百至上千摄氏度。常用熔盐：碱金属及碱土金属的卤化盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐等。储能机理：固液相变的潜热。熔盐相变材料的普遍特点：温度范围广、价格低廉、单位体积储热密度大、热稳定性强、蒸汽压低、安全性好。2无机相变材料2.熔融盐卤化盐：热导率高、比热容大；腐蚀性较强。碳酸盐：密度大；稳定性稍弱。硝酸盐：价格低；热导率较低、安全性不高。实际应用：单一组分的熔盐劣势明显，实际应用中通常将不同种类的熔盐混合形成多元混合熔盐，以提高优势、弥补劣势。2无机相变材料3.金属相变材料高温相变材料，固-固相变材料。常用材料：共晶合金。储能机理：晶型变化时的潜热。金属相变材料的普遍特点：无需容器、无毒、无污染、性能稳定、使用寿命长、热导率极高、相变过程体积变化小。潜热较少。是未来相变材料研究的热点。2有机相变材料1.石蜡类：高级脂肪烃中低温相变材料，温度多在100摄氏度以下。储能机理：固液相变的潜热。相变温度和相变潜热随着碳链的增长而增大。但是随着碳链的增长，相变温度的增值会逐渐减小，最终趋于一定值。石蜡类材料的相变温度往往不是一个固定值，而是存在一个熔融温度区间。2有机相变材料2.脂肪酸、脂肪醇类中低温相变材料，温度多在200摄氏度以下。储能机理：固液相变的潜热。有机类固-液相变材料的特点：固体成型性好、不容易出现过冷及相分离、腐蚀性小、性质稳定、无毒性、成本低。热导率低、密度小、单位体积储能力低、易燃、容易因氧化而老化。2有机相变材料3.多元醇、聚合物：中高温相变材料，固-固相变材料。储能机理：晶型变化过程的潜热。固-固相变材料潜热较少，目前并未大量应用，尚待进一步的研究。常见材料：季戊四醇、三羟基甲基乙烷、三羟甲基氨基甲烷、高分子交联树脂等。2复合相变材料1.胶囊包覆将相变材料(芯材)封闭在聚合物或无机材料(壁材)的胶囊中，制成胶囊型复合相变材料。优点：能有效解决相变材料的泄漏、相分离及腐蚀性等问题，便于储存和使用。常见的胶囊结构示意图2复合相变材料1.胶囊包覆纳胶囊：粒径小于1μm微胶囊：粒径1μm~1mm大胶囊：粒径大于1mm常见制备方法：2复合相变材料2.与多孔基质复合利用具有大比表面积微孔结构的无机物作为支撑材料，通过微孔的毛细作用将液态的相变材料（高于相变温度条件下）吸入到微孔内。泡沫镍石蜡/泡沫镍复合石蜡/泡沫镍复合泡沫铜优点：除了解决相变材料的泄漏问题，还可以极大提高整体导热性。2复合相变材料3.与纳米材料复合将金属纳米粒子、膨胀石墨、氧化铝纳米粒子等纳米材料均匀分散到相变材料中，形成复合相变材料。优点：极大提高了材料的整体导热性缺点：纳米材料易沉降，降低了整体效能铝纳米粒子膨胀石墨2相变储能技术的应用建筑领域

利用相变材料可以有效地推迟温度波动通过建筑物的传播，提高建筑物的热惯性；温度调节领域

将相变材料储热、蓄冷的能力应用于空调领域，对于工业余热回收、降低冷暖系统总能耗以及电力移峰填谷起到了有效作用；纺织行业

在纺织纤维中添加微胶囊相变材料可以提高服装的保温性能，用于维持服装内温度的稳定；其它领域

包括航空航天、军事、太阳能、运输业等。2建筑领域﹡相变墙体﹡相变地板﹡相变材料在混凝土中的应用相变储能技术在建筑节能领域的应用2相变墙体MengZhang，MarioA.Medina等同时建造了2间模拟能耗房间（1.83m×1.83m×1.22m），一间使用常规墙体，一间使用添加了相变材料的墙体.通过实验发现使用相变材料墙体的房间，无论是室内温度的稳定性、还是舒适度，都优于使用常规墙体材料的房间。P.Schossig，H.-M.Henning建造了常规尺寸的模拟研究房屋，房屋的内墙采用不同的墙体材料，左边的房间采用相变材料，平行的房间采用常规墙体材料。经过对室内温度的检测，发现使用相变材料的房间，室内温度波动大大小于常规材料的房间。2相变墙体胶合板石膏板玻璃纤维墙壁剖立面安装浸渍相变材料的石膏板，相变材料是50%硬脂酸丁酯和48%软质酸丁酯的混合物，其相变点是21℃。2相变墙体由德国BASF公司开发出的一种含微胶囊石蜡的石膏墙板，并且将它与轻质墙体结合在一起。微胶囊石蜡的含量占石膏墙板的1/3，蓄热能力相当于20CM厚的砖木结构，可以使室内温度大部分时间维持在22～26℃。2相变地板2相变材料在混凝土中的应用2相变涂料用含相变材料的微胶囊制备涂料，或用多孔超细材料复合作为涂料的主要填充介质制备涂料。这种涂料可以用在新建建筑中，也可以用来提升老房屋的储热能力，有利于相变储能建筑材料的推广使用。FTC相变保温砂浆具有高蓄热功能，在25-50℃之间发生相态变化时吸热和放热的特点，具有优良的蓄热机能。2温度调节领域谷电利用峰电:8:00到22:00谷电:22:00到8:00如果能把波峰电负荷转移到用电波谷处，则会产生更好的经济效益。可用储热或蓄冷的方式达到这一目的。在用电低谷阶段，用电将相变储能系统加热或冷却，以储热或蓄冷，在峰电阶段辅助制热或制冷。22温度调节领域工业余热回收工业余热：工业生产中的热效率低，40-60%的热量通过热气、热水消散到环境中。利用相变储能系统可吸收工业余热，再在合适的时间、地点进行使用。2太阳能-相变蓄热供暖温度调节领域2纺织行业相变纺织材料相变纤维：含有相变材料微胶囊的纤维。利用相变纤维织成布料，再制作衣物。2纺织行业相变纤维衣物相变纤维衣物普通衣物相变纤维衣物在一定的温度范围内自由调节纺织品内部温度，使其维持在舒适温度区，并且使温度波动相对较少，人穿着、使用时会感觉更加舒适。2其它领域太阳能热发电2将相变材料微胶囊分散在基质中以涂料或遮障的形式覆于军事目标,令其尽可能地吸收目标放出的热量,使得军事目标的温度与环境温度保持相近,从而达到红外伪装效果。其它领域军事作用2其它领域电子器件散热相变散热材料2其它领域保温丙烯酸多元醇聚合物2热化学储能热化学储能，又称化学储热，利用储能材料相接触时发生可逆的化学反应来储存、释放热能。

吸热放热

吸热反应（ΔH>0）→热能储存放热反应（ΔH<0）→热能释放ΔH=生成物热焓量之和－反应物热焓量之和2热化学储能热化学吸附储能：化学反应过程中破坏的是分子间作用力（氢键、范德华力、静电力）。MgSO4·7H2OMgSO4+7H2O热化学反应储能：化学反应过程中破坏的是化学键（离子键、共价键）。Mg(OH)2MgO+H2O2热化学储能热化学储能的三个过程：1.储热：C吸收热量分解为A和B。

2.存放：单独储存A和B。3.放热：A和B结合生成C，并放出热量。

2热化学储能优点：储能密度大、输出的热能品味高、可长时间储存而无热损失、运输方便；缺点：热化学反应过程复杂、所用材料价格高、具有一定的危险性。化学储热由于系统复杂、技术难度大，可操作性不强，目前仍处于实验研究阶段，距离大规模应用尚远。2热能储存技术特性显热储能相变储能热化学储能能量密度低0.2GJ/m3中等0.3-0.5GJ/m3高0.5-3GJ/m3热损失较大较大低运输短距离短距离无限制主要优势成本低、技术成熟储能密度中等、系统体积小储能密度高、热损失小、运输方便主要劣势热损失大、储能系统体积大导热性差、热损失大、腐蚀性较强技术复杂、成本高、整体效率低2热化学储能材料的选取标准

能量密度：能量密度高，同质量的材料所储存的能量就更多。

导热性：热导率大，有利于快速储热及提热。

反应速率：反应速率合适，有利于储放热。

反应过程：转化率高、无副反应、循环稳定性好、反应物和生成物易分离及储存。

安全性：环境友好、工作压力低、无腐蚀性。

经济性：容易获取、成本低廉。2热化学储能材料常见的热化学储能材料：热化学反应储能体系反应式储热密度反应温度/℃氨NH3+△H

D

1/2N2+3/2H267kJ/mol400-500甲烷/水CH4+H2O

D

CO+3H2n.a.500-1000氢氧化物Ca(OH)2

D

CaO+H2O3GJ/m3500甲烷/二氧化碳CH4+CO2

D

2CO+2H2247kJ/mol645碳酸盐CaCO3

D

CaO+CO2FeCO3

D

FeO+CO24.4GJ/m32.6GJ/m3800-900180金属氢化物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有机物有机物的高温裂解、重整、气化等过程伴随有热量的变化，可用于储能。如甲烷的重整：CH4+H2O

⇌

CO+3H2

CH4+CO2

⇌

2CO+2H2

原料来源广，并有助于减少温室气体排放。

反应稳定性和反应效率取决于催化剂，催化剂较昂贵。反应前后都是气体，难以大规模应用。目前主要在太阳能利用方面进行研究。2氨氨基热化学储能反应：2NH3

⇌

N2+3H2

温度400-700℃，压力1-3MPa，需要催化剂

原料廉价，储能密度高，无副反应且反应容易控制，储存与分离简单。

反应的压力过高、反应物和生成物都是气体。

目前研究主要集中在太阳能热化学储能系统。2金属氢化物某些金属或合金可以与氢气反应生成氢化物，并释放大量热量。反之，加热金属氢化物，会发生分解。因此可用于热量储存。

储能密度高，可逆性好，清洁无污染。M：Mg、Ti、镁(钠铁钴镍)合金等金属氢化物导热性差，反应动力学性能差，氢气储存困难。2金属氧化物较活泼金属与其氧化物之间的相互转化伴随有热量的吸收与释放，也可用于热量的存储。

M：Pb、Co、Mn、Fe、V、Cu等

储能密度极高，可逆性好，易操作。

反应温度高，并且氧化反应开始温度低于还原反应温度，不利于反应器的稳定运行。2无机氢氧化物无机氢氧化物的脱水反应也可用来储存热量。

如：

Mg(OH)2+热⇌

MgO+H2O

脱水温度范围为200℃左右。

又如：

Ca(OH)2+热⇌

CaO+H2O

脱水温度范围为580℃左右。放热：只需加水就可取出储存的能量。但存在腐蚀现象及烧结现象，并且容易和空气中所含的CO2相互作用，稳定性很差，故目前在储热中应用较少，有待进一步研究。2碳酸盐碳酸盐分解吸热，氧化物与CO2结合放热，可用于热量的储存。MCO3

⇌

MO+CO2

M：Mg、Ca、Sr、Li、Na、K等

储能密度高，可逆性好，安全性高。

反应温度高，金属氧化物易吸湿，存在烧结现象。2结晶水合盐在低于其熔点的温度下，使水合盐脱去其结晶水，利用在脱水过程中吸收的水合热来实现热量的储存。当需要回收热量时，把脱去的水与脱水盐接触即可实现。AB·nH2O⇌

AB+nH2O结晶水合盐进行热化学储能的关键：脱水。加入有机溶剂（如乙醇）或吸湿剂（富含微孔的材料）进行脱水。2结晶水合盐优点：反应条件及过程温和、安全性高，环境友好，反应温度低、拓宽了热化学储能技术的应用范围。缺点：需要配合脱水剂使用，水合反应速率低、放热效率低。2氨络合物某些无机盐与氨的络合物也可用于热化学吸附储能。如：Co(NH3)6Cl2

。M(NH3)nXm

⇌

MXm+nNH3

M：活泼金属；X：Cl、NO3等

储能密度高，反应条件温和。

存在安全性问题，成熟度较低。2热化学储能的应用主要应用：储存太阳能太阳能→热能→化学能→其它能量2热化学储能的应用可实现季节性储能。2机械储能Part.03抽水蓄能的发展概况1909年，瑞士建成世界第一座抽水蓄能电站Schaffhausen电站。当时，抽水蓄能电站的主要目的为蓄水，用以调节电站水量的季节性不均匀。上世纪60年代后，抽水蓄能电站开始迅速发展。抽水蓄能电站的主要功能变为电力系统的调峰、调频。3抽水蓄能的发展概况1960年至2000年，全世界抽水蓄能电站总装机容量从350万千瓦增至11328万千瓦，增加了32倍。世界上抽水蓄能电站发展最快、装机容量最大的是日本，其次是美国、意大利、德国、法国、西班牙等。33抽水蓄能的发展概况我国六十年代后期才开始研究抽水蓄能电站的开发，1968年和1973年先后在华北地区建成岗南和密云两座小型混合式抽水蓄能电站。我国抽水蓄能电站建设虽然起步比较晚，但由于后发效应，起点却较高，已经建设的大型抽水蓄能电站技术已处于世界先进水平。3抽水蓄能电站世界第二大抽水蓄能水电站——天荒坪电站天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县境内。电站装机容量180万kW，上水库蓄能能力1046万kW·h，其中日循环蓄能量866万kW·h，年发电量31.6亿kW·h，年抽水用电量42.86亿kW·h，承担系统峰谷差360万kW任务。3抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站位于广州市从化区吕田镇深山大谷中。总装机容量240万千瓦，装备8台30万千瓦具有水泵和发电双向调节能力的机组。3抽水蓄能电站北京十三陵抽水蓄能电站

十三陵抽水蓄能电站位于北京十三陵风景区，电站装机发电容量800MW，年发电量12亿kW·h；抽水容量816MW，年抽水用电量16.5亿kW·h。为京津唐地区提供可靠的调峰、调频填谷和紧急事故备用电源。3抽水蓄能电站泰山抽水蓄能电站泰山抽水蓄能电站隶属国网新源控股有限公司,是全国第四座大型抽水蓄能电站，山东省第一座大型水电站，装机总容量为100万千瓦，总投资43.26亿元。3抽水蓄能的工作原理蓄能：在电力负荷低谷期，利用电站提供的剩余电量驱动水泵，将低水位库中的水抽至高水位库，电能转为水的重力势能。3抽水蓄能的工作原理释能：在电力负荷高峰期，释放高位水库的水，驱动水轮机发电机组发电，将水的重力势能转换为电能。3抽水蓄能电站的构造3抽水蓄能电站的构造3抽水蓄能电站的构造1.上水库：抽水蓄能电站的上水库是蓄存水量的工程设施，电网负荷低谷时段可将抽上来的水储存在库内，负荷高峰时段由水库放下来发电。3抽水蓄能电站的构造2.输水系统：输送水量的工程设施，在水泵工况(抽水)把下水库的水量输送到上水库，在水轮机工况(发电)将上水库放出的水量通过厂房输送到下水库。3抽水蓄能电站的构造3.地下厂房：地下厂房包括主、副厂房、主变洞、母线洞等洞室。厂房是放置蓄能机组和电气设备等重要机电设备的场所，也是电厂生产的中心。3抽水蓄能电站的构造4.开关站及出线场3抽水蓄能电站的构造5.下水库：负荷低谷时段可满足抽水水源的需要，负荷高峰时段可蓄存发电放水的水量。3抽水蓄能电站的构造浙江天荒坪抽水蓄能电站工程示意图3抽水蓄能电站的特点优点：抽水蓄能技术是目前最成熟、应用最广泛的大规模储能技术，具有容量大，寿命长（经济寿命80年以上）、效率高（65%-80%）、运行费用低的特点。可为电网提供调峰、填谷、调频、事故备用等服务，其良好的调节性能和快速负荷变化响应能力，对于有效减少新能源发电输入电网时引起的不稳定性具有重要意义。缺点：电站选择上需要有水平间距小，上下水库高度差大的地形条件，岩石强度高、防渗水性能好的地质条件，以及充足的水源保证发电用水的需求。另外还需要考虑上下水库的库区淹没问题，水质的变化以及库区土壤碱化等一系列环保问题。3抽水蓄能电站的类型按调节性能分：日调节、周调节、季调节按水头高低分：100m以下的低水头、100-700m的中水头、700m以上的高水头按布置特点分：地面式、地下式按机组类型分：四机式、三机式、两机式按天然径流条件分：纯抽水蓄能、混合式抽水蓄能、调水式抽水蓄能3抽水蓄能电站的类型纯抽水蓄能电站

上水库无水源或水源很小，上下库库容相当，同体积的水体在上下库中循环使用，靠下库入流来补充蒸发和渗漏损失。厂房内机组全部是可逆式的抽水蓄能机组。

主要功能是调峰填谷、系统事故备用等任务，而不承担常规发电任务。3抽水蓄能电站的类型混合式抽水蓄能电站

上水库有水源，一般建在河川上，或利用天然湖泊。厂房内装有水轮机常规机组和可逆式蓄能机组，前者利用天然径流发电，后者则按需使用。

既用于调峰填谷、系统事故备用等任务，又承担常规发电任务。3抽水蓄能电站的类型调水式抽水蓄能电站

跨河流，工作时，从位于一条河下游的水库抽水至上游水库，再从该上游水库向另一条河放水发电。常规水轮机组和可逆式蓄能机组分别布置在两条河流处。3抽水蓄能电站的选址地理位置地理位置尽量接近负荷中心，以减少输电线路的电能损失。如：北京、上海、广州、深圳、南京、杭州等大城市附近。上下水库应接近天然水域，至少要保证初期蓄水和运行中的补水水源。下库应尽可能利用已建成的水库或湖泊3抽水蓄能电站的选址地质条件

较大地形差、不需在上水库建高坝。所在位置能满足，水头尽可能高(H)，水道尽可能短(L)。一般，高水头电站L/H:10~12；中水头电站L/H:4~5。

地质条件良好且稳定。减少电站的建设工程量，保证电站建成后稳定运行。3压缩空气储能压缩空气储能（CAES,CompressedAirEnergyStorage）利用多余的电能驱动空压机压缩空气，将电能转化为空气的势能与内能储存起来。在需要时，释放空气的势能与内能，转化为电能。3压缩空气储能一套完整的压缩空气储能系统由以下部件组成：压缩机、冷却器、压力容器、回热器、涡轮机以及发电机。3压缩空气储能压缩机：将空气压缩，将电能转化为空气的势能及内能。压缩后，空气压力可达7-10MPa，温度可达1000°C。冷却器：热交换设备，用于存入压力容器前的冷却，防止空气在压力容器或洞穴中压力减少。压力容器：存储冷却后的空气，若采用洞穴存储，则需要满足耐压程度较高、密封性较好的地质条件。33压缩空气储能回热器：热交换设备或燃烧室，将空气温度提高至1000℃左右，使涡轮机持续长时间稳定运行，以便于提高涡轮机效率。涡轮机：空气通过涡轮机降压，内能及势能转化为动能。发电机：在涡轮机带动下，将动能转化为电能。3压缩空气储能的类型气体压缩时产生热量，因此压缩后的空气温度较高。相反地，气体膨胀会吸收热。根据储能过程中控制热量的方式不同，压缩空气储能可分为非绝热式、绝热式两种。非绝热式：不干预空气压缩过程的产热及膨胀过程的吸热。绝热式：调控空气压缩过程的产热及膨胀过程的吸热。3压缩空气储能的类型非绝热式压缩空气储能：无热源型：无任何控制。燃料燃烧式：储气过程无控制，但利用过程中，额外加入燃料作为热源，辅助动能的转化。压缩机→储气装置→涡轮机压缩机→储气装置→涡轮机燃料→3压缩空气储能的类型非绝热式压缩空气储能：压缩空气时很大一部分能量，在压缩空气过程中转化为热能，非绝热式压缩空气储能对这部分热能没能有效利用，导致这种方式储能效率低下。要想提高压缩空气储能系统的效率，可以将压缩过程中产生的热量通过储热器存储起来，待发电过程中用这部分热量预热压缩空气，达到回收热量的目的。即绝热式压缩空气储能。3压缩空气储能的类型绝热式压缩空气储能：储热装置绝热式储能虽然效率高，但是制造难度过高。3压缩空气储能的参数3压缩空气储能的特点优点启动快能量密度和功率密度较高运营成本低自放电率低设备的使用寿命长，损耗低绝热式效率较高，且不需要借助传统化石能源加热压缩空气，能够真正做到碳中和3压缩空气储能的特点缺点建设周期长，初次投资大需要大的岩洞以存储压缩空气，对于绝热系统，蓄热器自放电率高对于非绝热系统效率又比较低受地理条件限制，适合地点非常有限3压缩空气储能的发展现状国外投运或在建的压缩空气储能电站共10处（投运5处，在建5处）。3压缩空气储能的发展现状中国科学院工程热物理所从2005年开始基础研究，到2009年关键技术研发，到2016年10MW技术工程示范，用了约10年时间，我国的新型压缩空气储能技术完成了从追赶到领先的跨越。2020年9月开工建设的江苏常州金坛直溪盐穴空气储能项目3青海格尔木50MW压缩空气储能（管线钢管储气）利用青海丰富的风电、光电，转化成压缩空气，改善其波动大的缺点。压缩空气储能的发展现状3液化空气储能液化空气储能（LAES）：利用多余的电能将空气压缩、液化，将电能转化为空气的势能与内能储存起来。在需要时，释放液化空气的势能与内能，转化为电能。3飞轮储能的产生背景高速运行中的地铁车辆地铁进出站需要制动地铁制动会产生能量的浪费可利用飞轮进行储能3飞轮储能的发展历史20世纪50年代，瑞士苏黎世Oerlikon公司开发出飞轮储能巴士并投入实际运行多年，这种无引线电动车载客32人行进800m后充电2min，飞轮重1362kg，转速3000r/min，飞轮置于氢气中。70年代，美国十分重视电动汽车的研发，启动了多个飞轮储能电动车辆应用研发项目，但80年代纷纷因技术无法突破而终止。3飞轮储能的发展历史英国石油公司1984研制的400W·h复合材料飞轮储能系统，用于车辆刹车动能再生，飞轮转速为16000r/min（385m/s）时，功率可达到200kW，待机损耗2kW。持久实验进行了18000次，1000h。1988年，苏黎世联邦理工学院研制出1套60kV·A/500W·h的飞轮UPS系统，转速为12000～24000r/min，复合材料飞轮储能密度为12W·h/kg。3飞轮储能的发展历史经过20年的技术积累，90年代后期，飞轮储能系统实用产品逐步成熟，并得到商业化。1997年，美国BeaconPower推出2kW·h的飞轮储能系统，飞轮转速30000r/min，采用永磁/电磁混合支承，永磁无刷电机效率高达96%。3飞轮储能的发展历史早在上世纪80年代初期，中国科学院电工研究所就开始了飞轮储能系统的探索，但之后国内没有开展实质性的研究工作。直到上世纪90年代中期，在国外技术进步的影响下，国内的飞轮储能技术研发才逐步兴起。3飞轮储能的发展历史清华大学在1997年首次实现0.3千瓦时飞轮储能样机的充放电实验。采用复合材料的第一代飞轮储能系统，飞轮重8kg，直径23cm，成功运转到48000rpm，实现了充放电功能。1999年研制出第二代飞轮，重15kg，直径30cm，于2001年成功运转到70000rpm，储能500Wh。3飞轮储能的发展历史北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等机构还开展了飞轮储能电源的航天应用研究。其中北航房建成教授带领的团队所完成的“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”项目，获得了2007年度国家技术发明一等奖。3飞轮储能飞轮储能(FlywheelEnergyStorage,

FES)：将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮中。3储能时，电动机带动飞轮高速旋转，电能转变为飞轮的动能。E：动能，J：转动惯量，ω：角速度飞轮储能的工作原理

释能时，高速旋转的飞轮带动发电机发电，动能转变为电能。3飞轮储能系统的结构飞轮储能系统由转子、高速轴承、双馈电机、电力转换器和真空安全罩组成。3飞轮储能系统的结构转子：飞轮系统储能的量由转速和转动惯量决定。转速越大，能量越高。

最大转速由飞轮材质决定。飞轮需选用低密度、高强度的材料，如：碳纤维、玻璃纤维-环氧树脂复合材料等。3飞轮储能系统的结构轴承：轴承系统用于克服摩擦阻力，以降低飞轮动能的损耗。主要有：机械轴承、永磁轴承、超导轴承、主动磁轴承等种类。3飞轮储能系统的结构真空安全罩：飞轮转子转速非常高（几万转每分钟）。为了减少空气阻力对高速旋转飞轮的影响，需要提供一个真空环境。封闭的外壳和需要较高的机械强度以保证安全。3飞轮储能目前飞轮储能技术主要有两大分支：第一个分支是以接触式机械轴承为代表的大容量飞轮储能技术，其主要特点是储存动能、释放功率大，一般用于短时大功率放电和电力调峰场合。第二个分支是以磁悬浮轴承为代表的中小容量飞轮储能技术，其主要特点是结构紧凑、效率更高，一般用作飞轮电池、不间断电源等。3飞轮储能的特点(1)能量密度高：储能密度可达100-200wh/kg，功率密度可达5000-10000w/kg。

(2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90。

(3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。

(4)工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。

(5)使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。

(6)低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。3飞轮储能的关键技术为提高飞轮的转速和降低飞轮旋转时的损耗，飞轮储能的关键技术包括高强度复合材料技术、高速低损耗轴承技术、高速高效发电/电动机技术、飞轮储能并网功率调节技术、真空技术等。3飞轮储能的应用交通运输制动时的能量回收3飞轮储能的应用智能电网电网的快速调峰调频3飞轮储能的应用航空航天航天器的姿态控制及能量储存3飞轮储能的应用UPS电源济南文化艺术中心，第十届中国艺术节配备了两台飞轮储能发电车，合计容量达到了1750千伏安，确保不间断供电。不间断电源3飞轮储能的应用军事航母的电磁弹射、坦克低噪声电源及新式武器3飞轮储能的发展趋势作为一种新兴的储能方式，飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同，它非常符合未来储能技术的发展方向。目前，飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外，也正在向小型化、低廉化的方向发展。现在，最可能出现的是手机电池。可以预见，伴随着技术和材料学的进步，飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。3电化学储能Part.04电化学储能概述电化学储能是利用介质将电能储存起来并在需要时释放的储能技术及措施，这个储能的介质就是电池。电池又可分为一次电池和二次电池。一次电池就是我们日常生活中的干电池，它只能将化学能转变成电能，放电后不能再充电使其复原，不可重复使用。二次电池又称为充电电池或者蓄电池，可以实现化学能和电能之间的多次转化，可以重复使用。用于电化学储能的介质便是可以重复使用的二次电池。4电化学储能概述电化学储能电站主要由电池组、电池管理系统（BatteryManagementSystem，简称BMS）、能量管理系统（EnergyManagementSystem，简称EMS）、储能变流器（PowerConversionSystem，简称PCS）以及其他电气设备构成4电化学储能概述电化学储能电站的电池组一般采用电池舱的方式构建，电池舱采用标准集装箱进行安装，其中包含若干电池簇。电池簇由多个电池模组组成，电池模组又由若干个单体电池采用串并联的方式组织而成。4电化学储能概述依据所用单体电池的不同，电化学储能系统可分为锂离子电池、钠离子电池、铅蓄电池（铅酸电池及铅炭电池的总称）、液流电池、钠硫电池等。虽然各类二次电池的工作方式不同，但是其储能原理都类似，都是基于某种可逆的化学反应，在加电时，通过电压驱动化学反应进行，实现电能到化学能的转换；待到用电时，逆反应的发生则可驱动电子在外界电路中流动，即实现储存的化学能到电能的转换。4电化学储能概述不同的电池类型都有各自的特点，为大规模储能应用的不同需求提供了多样化的选择。其中，锂离子电池是目前产业化应用最为广泛的电化学储能技术路线，其他电池系统也在逐渐发展成熟。4电化学基本过程电流金属e-e-e-e-e-盐溶液B-B-B-A+A+A+导体4电化学基本过程电流金属盐溶液B-B-e-e-界面B-e-BB-→B+e-

导体4电化学基本过程电流金属盐溶液e-e-A+B-BB-→B+e-

AA++e-→A阳极阴极总反应：A+B-→A+B4电化学基本过程电流金属盐溶液e-e-A+B-BB-→B+e-

AA++e-→A电源电解能量4电化学基本过程电流金属盐溶液e-e-A+B-BB-→B+e-

AA++e-→A电器电池能量4电能是一种清洁能源。电能的使用使得人类迈入真正舒适文明社会。电能的储存（电池）至关重要。电池的使用数量可作为社会文明发展的重要参考。第一部分化学电源基础化学电源41799年伏打电池的出现使人们第一次获得了比较强的稳定而持续的电流，为科学家们从对静电的研究转入对动电的研究创造了物质条件，导致了电化学、电磁联系等一系列重大的科学发现。由于它的诞生，19世纪的第一年成了电气文明时代生活的开端。第一部分化学电源基础化学电源的发展41936年在伊拉克首都巴格达附近考古时发掘到一个大约2000年以前（公元前248年至226年之间）的由Fe和Cu组成的类似电池装置。所以也有人认为这才是化学电源的最早发明。巴格达电池化学电源的发展4化学电源(电池)是将化学反应产生的能量直接转化成电能或实现化学能与电能循环转化的装置。1859年普兰特(Pantle)成功试制了铅酸电池1868年勒朗谢(Lelanche)研制成功以NH4Cl为电解液的Zn-MnO2

电池1888年加斯纳(Gassner)制出了Zn-MnO2

干电池1895年琼格(Junger)发明了Cd-Ni电池第一部分化学电源基础化学电源的发展41900年爱迪生(Edison)研制了Fe-Ni蓄电池1960年代：“双子星座”和“阿波罗”飞船应用了H2-O2

燃料电池1970年代：中东战争导致的能源危机促使燃料电池、钠硫电池、锂－硫化铁电池得到广泛研究1980年代：氢镍电池发展迅速1990年代：嵌入化合物锂离子电池，成为目前应用最广泛的化学电源。化学电源的发展4电解质种类电池所用正负极材料工作特性和储存方式电池的分类分类标准：4以电解质种类分类：

碱性电池→电解质以KOH溶液为主，如碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镍镉电池和镍氢电池

酸性电池→电解质以硫酸水溶液为主，如铅 酸电池

中性电池→电解质为盐溶液，如锌锰电池

有机电解质电池→电解质为有机溶液，如锂 电池、锂离子电池电池的分类4以电池所用正负极材料分类：

锌系列电池→锌锰电池和锌银电池等

镍系列电池→镍镉电池和镍氢电池等

铅系列电池→铅酸电池等

锂系列电池→锂离子电池和锂锰电池等

二氧化锰系列电池→锌锰电池和碱锰电池

空气（氧气）系列电池→锌空气电池电池的分类4以工作特性分类：

一次电池→又称原电池，即不能再次充电的电池，如锌锰电池、银锌电池和锂电池等

二次电池→又称蓄电池，即可充电电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等

燃料电池→正、负极本身不包含活性物质，需要连续不断从外部加入活性材料的电池

储备电池→电池储备时不直接接触电解质，直到电池使用时，才加入电解液，如镁氯化银（海水电池）。

电池的分类4

电极系统：如果系统由两个相组成，一个相是电子导体(叫电子导体相)，另一个相是离子导体(叫离子导体相)，且通过它们互相接触的界面上有电荷在这两个相之间转移，这个系统就叫电极系统。电池的基本术语

电极系统将一块金属(比如铜)浸在清除了氧的硫酸铜水溶液中，就构成了一个电极系统。在两相界面上就会发生下述物质变化：Cu(M)→Cu2+(Sol)+2e-

4

半电池：电池的一半，通常一个电极系统即构成一个半电池，连接两个半电池构成电池。

电对：在原电池的每一个电极中，一定包含一个氧化态物质和一个还原态物质。一个电极中的这一对物质称为一个氧化还原电对，简称电对，表示为：氧化态/还原态(如：Zn2+/Zn，Cu2+/Cu，Fe3+/Fe2+，I3-/I-，H+/H2等)。注意：无论它作正极还是负极，都表示为“Ox/Re”。电池的基本术语4

电极(electrode)：电对以及传导电子的导体，其作用为传递电荷，提供氧化或还原反应的地点。电极通常用电极符号来记录，具体为：电子导电材料|电解质，如：Zn|Zn2+，Cu|Cu2+，(Pt)H2|H+。电池的基本术语

充电与放电（charge&discharge）：化学能转化为电能——放电；电能转化为化学能——充电。4

电极的类型：在电化学中，按照发生的电极反应来确定

阳极(anode)——发生氧化反应的电极

阴极(cathode)——发生还原反应的电极

在物理学中，按电势高低来确定：

正极(positiveelectrode)——电势高的电极

负极(negativeelectrode)——电势低的电极电池的基本术语4

电极的类型：在电池中：

阳极=负极——发生氧化反应、电势低

阴极=正极——发生还原反应、电势高

在电解中：

阳极=正极——发生氧化反应、电势高阴极=负极——发生还原反应、电势低电池的基本术语4

电极反应：在电极系统中伴随着两个非同类导体相之间的电荷转移而在两相界面上发生的化学反应，就在电极上进行的有电子得失的化学反应。

电池反应：两个电极反应的总和。电池的基本术语电池反应：A+B-→A+BB--e-→BA++e-→A正极反应：负极反应：4

电池符号：1、负极写左边，正极写右边；2、按顺序从左到右依次排列各个相的组成及相态；3、单实线表示相之间的界面，双虚线表示“盐桥”；4、溶液应注明浓度，气体应注明分压；5、若含有两种离子参与电极反应，用逗号分开；6、当无金属参与反应，用惰性电极Pt或C；7、有g(纯)、l(纯)或s(纯)，挨惰性电极写。8、在涉及氧的氧化数变化时，电池符号中应列入H+和OH-(-)Pt,H2(g,pΘ)|HCl(s,0.1mol•L-1)|Cl2(g,0.5pΘ),Pt(+)电池的基本术语4半电池:

Zn-ZnSO4Cu-CuSO4电对:

Zn2+/ZnCu2+/Cu电极反应:

正极Cu2++2e=Cu负极Zn–2e=Zn2+电池反应：电池符号：Zn-Cu原电池CuSO4+Zn=Cu+ZnSO4

(-)Zn|Zn2+(m1)||Cu2+(m2)|Cu(+)4热化学反应电化学反应反应质点必须接触反应质点彼此分开电子转移路径短，且电子无规则运动电子转移路径长，且是有序运动活化能来自于分子碰撞，反应速率取决于温度活化能来自于电能，反应速率取决于电势释放能量的形式：热释放能量的形式：电能热化学和电化学的对比4任何电池都由四个基本部分组成，即由电极、电解质、隔离物及外壳组成。电池的组成4(1)电极：电极是电池的核心部分，由活性物质、导电材料和添加剂组成，有时还包含集流体。

活性物质是能够通过化学变化将化学能转变为电能的物质，导电骨架主要起传导电流、支撑活性物质的作用，电池内的电极又分正极和负极。导电材料也常用作集流体，如图所示铅锑合金栅架和泡沫镍(MH-Ni电池常用导电材料)；电池的组成4(2)电解质负责正负极之间的电荷传输，电解质一般是酸、碱、盐的溶液。

很多电池的电解质有较强的腐蚀性，所以无论电池是否用过，都不要拆解电池。电池的组成4(3)隔离物

防止正、负极短路，但充许离子顺利通过。在电池内部，如果正负两极材料相接触，则电池出现内部短路，其结果如同外部短路，电池所贮存的电能也被消耗。所以，在电池内部需要一种材料或物质将正极和负极隔离开来，以防止两极在贮存和使用过程中被短路，这种隔离正极和负极的材料被称作隔离物。隔离物可分三大类：板材，如铅酸电池用的微孔橡胶隔板和塑料板；膜材，如浆层纸、无纺布、玻璃纤维等；胶状物，如浆糊层、硅胶体等。电池的组成4(4)外壳主要作容器。电池的壳体是贮存电池其它组成部分(如电极、电解质、隔离物等)的容器，起到保护和容纳其它部分的作用，所以一般要求壳体有足够的机械性能和化学稳定性，保证壳体不影响到电池其它部分的性能。为防止电池内外的相互影响，通常将电池进行密封，所以还要求壳体便于密封。电池的组成41.

电池电动势与开路电压

电池电动势：正负极的平衡电位之差。

开路电压：电池不放电时，电池两极之间的电位差。

由此可以明确地看出，若正极的电位越正，负极的电位越负，电池的电动势也就越高。电池的性能参数电池电动势的大小取决于电池的本性及电解质的性质与活度，而与电池的几何结构等无关。即：通常开路时并非平衡电极电位，而是稳定电极电位。但一般可近似认为电池的开路电压就是电池电动势。：4元素中以Li的电位为最负：

氟的电位为最正：

若做成锂氟电池，其电池电动势可达5.91V。这是化学电源中电动势最高的数值。

应当注意的是，在选择电极活性物质时，不能只看平衡电位数值的高低，还要看（1）它在介质中的稳定性（2）材料来源（3）电化当量等多方面的因素。例如Li－F2,若组成电池，它具有很高的电动势，但由于Li只适用于非水溶剂电解质，F2是活性的气体，不易储存和和控制，因而由单质Li与F2组成电池是不切合实际的。电池的性能参数4

一般的化学电源都是采用水溶性电解质。在电位较负的金属中，以锌、铅、镉、铁最为常用。因在相应的电解质中具有较好的耐腐蚀性，在电位较正的活性物质中，常用的有二氧化锰、二氧化铅、氢化镍、氧化银等，它们在水溶液中都很稳定，溶解度小，材料来源广。

在以上所讨论的电动势是指体系达到热力学平衡后的电动势。但实际上有许多电极体系在水溶液中，即使开路时，也达不到热力学上的平衡状态。电池的性能参数42.电池的工作电压和放电曲线（1）工作电压：当电池有电流通过时，这时正、负极两端的电位差，即为工作电压（放电电压）。

由于电流通过电池回路时使电极产生电极极化和欧姆极化，这时的工作电压总是低于电动势。即：

，分别为电流通过正，负极时的工作电位。I为放电电流R为电池内阻。电池的性能参数4放电时间一般放电时间长，电压低放电流密度一般放电流密度大，电压低放电深度一般放电深度低，电压低（2）放电曲线

若在指定负载和温度下放电时，把电池的电压随时间的变化作图，就可以得到电池的放电曲线。电池的性能参数影响工作电压的因素：4根据电池的放电曲线，通常可以确定电池的放电性能和电池的容量通常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的性能就越好电池的容量大小放电时间的长短，取决于放电的终止电压（不宜再继续放电的电压）。通常放电电流大时，终止电压可低些，放电电流小时，终止电压可高些。常用平均工作电压来衡量电池的电压特性。电池的性能参数43.

电池的容量

电池的容量是指给定条件下，电池放电至终止电压时所能释放的电量（Ah)。电池的容量通常分为：理论容量C0：理论容量是根据活性物质的重量按法拉第定律计算出的电量。实际容量C：实际容量指在一定的放电条件下电池所能给出的电量。

电池的性能参数C0=26.8*n/M,n:得/失电子数M:活性物质分子量4实际容量的计算：（1）若是恒电流放电（2）恒电阻放电由于恒电阻放电时，I是不断变化的，故要通过积分的方法计算：

额定容量CP：设计和制造电池时，规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。电池的性能参数44.电池的能量

电池的能量指电池在一定的放电条件下，所能给出的能量，通常用瓦·时（W·H)表示。电池的能量分类为：（1）理论能量：从热力学上看，电池的理论能量等于可逆过程电池所能做的最大有用功：（2）电池的实际能量：2.恒电阻放电时1.恒电位放电时电池的性能参数4（3）比能量体积比能量：单位体积电池输出的能量重量比容量：单位重量电池所能输出的能量

总之：在评定电池的质量或是在开发新的电源时，对电池的比能量是常常需要考虑的一个指标。A.理论比能量：单位电池反应物质反应完全后，理论上所能给出的电能。B.实际比能量：单位电池反应物质在实际放电时所能给出的电能。电池的性能参数45.电池的功率

在一定的放电条件下，单位时间内电池所能给出的能量，称为电池的功率（W，KW)。

单位重量或单位体积电池输出的功率，称为电池的比功率（W/Kg，W/L).

比功率是电池的重要性能之一。一个电池的比功率越大，表示它可以承受的放电电位越大，或者说其可以在高倍率下放电。电池的性能参数46.电池的储存性能和自放电

化学电源的特点之一是在使用时能够输出电能，不用时能够保存能量。因而好的电池具有较好的储存性能。所谓的放电性能是指在一定条件（一定温度、湿度等）下，储存时容量的下降率。通常表示为：Q。、QT分别为电池储存前后的容量，t为储存的时间，一般用天、月、年计算。电池的性能参数4

容量的下降率主要是由电池的自放电引起的，故也叫自放率。

从热力学上看，产生自放电的根本原因是由于电极活性物质在电解液中不稳定引起的。因大多数的负极活性物质是活泼的金属，它在水溶液中的还原电位比氧负极要负，因而会形成金属的自溶解和氢析出的共轭反应。使负极活性物质不断被消耗。同样,正极活性物质也会与电解液或电极中的杂质发生作用被还原而产生自放电。电池的性能参数4

另外电池的自放电也有可能由正负极之间的微短路或正极活性溶解转移到负极上去而引起自放电。这时必须采用良好的隔膜来解决。

另外还可以采用低沉和干荷电储存，都可减少自放电，而使电池的储存寿命延长。

克服自放电的方法，一般是采用高纯的原材料，或在负极材料中加入氢过电位高的金属（Hg，Cd，Pb)，或在电极或溶液中加入缓蚀剂来抑制氢的析出等。电池的性能参数4充电时，直流电源的正极与电池的正极相连，负极与直流电源的负极相连。这时电池的端电压称为充电电压，电池的充电电压总是高于它的电动势，其关系式如下：

r为电极的等效极化电阻R为R+、R－等欧姆电阻之和电池的性能参数7.电池的充电特性

电池放电后，用一个直流电源对它充电，即此时发生的电极反应恰是放电反应的逆反应。这样使电极活性物质得到恢复，电池又可重复使用，充电过程是一个电解过程。4

电池的充电方法有恒流法和恒压法，通常使用的是恒电流法。

随着充电的进行，活性物质不断被恢复（负极物质还原，正极活性物质氧化），电极反应存积不断缩小，充电电流密度不断增大，使电极的极化不断增大。造成能量的损耗。基于在充电过程中有能量的损耗，因而就有一个充电效率的问题。充电效率：指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程序的量度。电池的性能参数48.电池的循环寿命

电池经历一次完整的充电和放电，称为一次循环（或称一个周期）。在一定的放电制下，当电池的容量降到某一定值之前，电池所能承受多少次充放电，称为电池的使用周期（或称循环寿命）。周期越长，表示电池的性能越好。电池的性能参数

不同的电池使用周期是不相同的，例如：一般说来，Fe－Ni，Cd－Ni电池的使用寿命可达数千次。铅蓄电池约300－500次，Zn－Ag电池约40－100次。

另外，电池的使用寿命与放电深度、沉度、充放电率等条件都有关。4铅酸电池铅酸电池(Lead-AcidBattery,LAB)，又称铅酸蓄电池、铅蓄电池，是指正负极活性物质分别是二氧化铅和铅、由硫酸水溶液做电解液的二次电池。4铅酸电池的发展1859年法国Plante发明铅酸蓄电池AGM隔离板美国Gate公司1971年1957年德国阳光公司胶体技术涂膏式铅锑合金板栅1882年4铅酸电池铅酸电池具有价格低廉、可靠性高、维护简单等优点。由于铅对人体有害、硫酸污染环境、腐蚀设备，因此应用领域受到限制。虽然有被镍氢、锂离子电池等取代的趋势，但由于价格、安全、可靠性等原因仍将占据二次电池的大部分市场。4铅酸电池的工作原理双极硫酸盐化理论：放电正、负极都生成硫酸铅。4铅酸电池的分类富液式：普通铅酸电池。不能卧式放置，需经常加水加酸和调整酸的浓度等复杂维护；酸液挥发会污染环境并腐蚀设备。贫液式：阀控式密封电池。电池以安全阀密封，内压过大时开阀排气，内部无游离酸。4阀控密封铅酸蓄电池阀控式密封铅酸蓄电池（ValveRegulatedLeadAcidBattery，VRLA电池）电解质吸附于AGM隔板中或者变成胶