储能材料与器件1上课

1、材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014电化学储能主讲：胡友根材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014储能主要是指电能的储存。储能本身不是新兴的技术，但从产业角度来说却是刚刚出现，正处在起步阶段。材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014超导电磁储能 锂离子电池 铅酸电池氧化还原液流电池钠硫电池超级电容器储能储 能 技 术机械储能电磁储能电化学储能抽水储能 压缩空气储能飞轮储能储能技术及其种类：材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014抽水储能技术在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放的能源储存方式。 材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。 压缩空气储能（Compressed-Air Energy Storage, CAES ）材料科学与

2、工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。 材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014超导电磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) 利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。 材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014铅酸蓄电池后续课程详细讲述 ！历史悠久，生命力强。材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014氧化还原液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014钠硫电池以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。 材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014锂离子电池用的地方太多了，很热门！后续课程详细讲述！材料科学与工

3、程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014储能类型典型额定功率额定容量特 点 应用场合机 械 储 能抽水储能1002000MW410小时适用于大规模，技术 成熟，响应慢，需要 地理资源日负荷调节，频率 控制和系统备用压缩空气10300MW120小时适用于大规模。响应 慢，需要地理资源调峰、调频、系统 备用、风电储备飞轮储能5KW10MW1秒30分钟比功率较大，成本高 ，噪音大调峰、频率控制、 UPS和电能质量 电 磁 储 能超导储能10KW50MW2秒5分钟响应快，比功率高， 成本高，维护困难输配电稳定、抑制 震荡高能电容110MW1 10秒响应快，比功率高， 比能量低输电系统稳定、电 能质量控制超级电容10KW1MW1 10秒响应快，比功率高， 成本高，出能量低可用于制定电力及 FACTS各种储能技术特点总结（表一）材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014储能类型典型额定功率额定容量特 点 应用场合电 化 学 储 能铅酸电池KW50MW分钟钟小时技术成熟，成本低， 寿命短，环保问题。电能质量，电站备用 、黑启动液流电池5KW100MW120小时寿

4、命长，可深放，适 于组合，效率高，环 保性好，但能量密度 稍低电能质量、备用电源 、调峰填谷、能量管 理、可再生储能、 EPS钠硫电池100KW 100MW数小时时比能量和比功率较高 。高温条件、运行安 全问题有待改进。电能质量、备用电源 、调峰填谷、能量管 理、可再生储能、 EPS锂电池KWMW分钟小时比能量高，成组寿命 、安全问题有待改进 。电能质量、备用电源 、UPS各种储能技术特点总结（表二）材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014压缩空气储能正在发展 技术比较成熟 技术成熟各种储能技术发展成熟度KW100KWMW10MW100MW储能系统规模氢储能各种储能系统的规模及技术成熟度化学电池（铅酸、镍镉）抽水储能飞轮储能超导磁储能超级电容器液流电池储能微型空气压缩储能NaS电池材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014一、电化学基础知识是研究电和化学反应相互关系的科学。是研究两类导体（电子导体，如金属或半导体，以及离子导体，如电解质溶液）形成的接界面上所发生的带电及电子转移变化的科学。 电化学（Electrochemistry）1.

5、1 电化学及其应用材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014冶金化工机械电子仪表航空航天电化学在这些领域得到广泛应用！材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014当前世界上十分关注的研究课题, 如能源、材料、环境保护、生命科学等等都与电化学以各种各样的方式关联在一起。材料生命科学能源材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014 原电池是将化学能直接转化为电能的一种装置。原理也是通过化学反应（在正负极发生不同的氧化还原反应）使闭合电路中产生电子流，从而产生电流的。电能化学能电 解原电池其中在负极发生氧化反应，正极发生还原反应。2.2电池及其构成装置过程材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014铜锌原电池（丹尼尔电池） 材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG20143.两电极之间有导线连接，形成闭合回路。2.两电极必须浸泡在电解质溶液中，其中一极可以与电解质自发的进行氧化还原反应。原电池的构成条件：1.电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物

6、等）组成。三个不可缺少 的条件 材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014负极：电势较低的电极是负极。正极：电势较高的电极是正极。阳极：发生氧化反应（失去电子）的电极是阳极。阴极：发生还原反应（得到电子）的电极是阴极。原电池中只提及正极负极，电解池中只提及阴极阳极。 阴极、阳极、正极、负极同时存在原电池和电解池中。规定习惯材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG20141.3 电池的热力学基础1.3.1由可逆电动势计算电池反应的吉布斯函数的变化若电池按化学计量式发生反应进度为1mol的反应，同时交换电子的物质的量为z，则有式中z的单位（mol电子）（mol反应）-1（恒温恒压）材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG20141.3.2 由原电池电动势的温度系数计算电池反应的熵变式中 称为原电池电动势的温度系数。材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG20141.3.3由温度系数计算电池反应的焓变由rHm= rGm+ T rHm得：在系统确定状态下的生成物态与反应物态之间 ，rHm有定值，与反应是否作电功无关。

7、材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG20141.3.4计算电池可逆放电时反应过程的热因系统作非体积功，Qr不是恒压热压热 ，Qr = rH的关系也不成立。若电池向环境放热。若若材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG20141.3.5能斯特方程对化学反应若反应物质均为气相，等温方程为：若为凝聚相反应，等温方程为：材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014当反应在可逆电池中进行时，式中为标准电动势，它等于参加电池反应的各物质均处在各自标准态的电动势。此式称为电池反应的能斯特方程，它表示一定温度下可逆电池的电动势与参与电池反应的各组分的活度或分压之间的关系。rGm = -zFE， rGm = -zFE 材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG201425时，在电池反应达到平衡是，rGm = 0，E = 0，可得可知，由原电池的标准电动势即可求得该反应的标准平衡常数。材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014有一原电池 AgAgCl(s) Cl-(=1) Cu2+(=0.01) Cu (

8、1) 写出上述原电池的反应式；（2）计算该电池在25时的电动势E； （3）25时，原电池反应的吉布斯函数变（rGm）和平衡常数K各为多少?已知：E（Cu2+Cu）= 0.3402V，E （Cl-AgCl（s）Ag）= 0.2223V（1）阳极反应 2Ag+2Cl（=1）=2AgCl（s）+ 2e- 阴极反应应Cu2+（=0.01）+2e-=Cu电池反应2Ag+2Cl-（=1）+Cu2+（=0.01）=2AgCl（s）+Cu材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014（3）（2）材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014二、铅酸电池2.1 铅酸电池的发明及发展G. Plante（法国）发明了铅酸蓄电池，至今已有 150多年的历史。A. Dassler（美国）提出了阀控密封铅酸蓄电池的 气体复合理论，为VRLA电池奠定理论基础。 美国Gates公司发明了吸收式AGM隔板，实现了 铅酸蓄电池“密封”的突破。 德国阳光公司发明了触变性 SiO2凝胶的胶体密封 铅酸蓄电池。1859年1

9、938年1957年1971年材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014应用：交通、通信、电力、军事、以及航海、航空、电动交通工具。特点：价格低廉;原材料易得;性能可靠;大电流放电;温度范围广。材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014铅酸蓄电池的发展阶段开口式 20世纪初，由于充电末期，水被电解为氢气和氧气析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重。气体溢出是携带 酸雾，腐蚀设备，污染环境。限制了电池的使用。密封式20世纪60、70年代，主要是铅钙合金的发现，采取贫液密封式设计。阀控铅酸蓄电池20世纪70年代以后，通过复合原理保持水分。VRLA会出现热失控、燃烧和早期容量衰退的现象。最初应用于 电信系统，近年来广泛应用于电动车行业。材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014VRLA的组成与结构正极板 PbO2（放电生成PbSO4）负极板 Pb （放电生成PbSO4）隔膜 AGM（Absorbed Glass Malt洗手时玻璃面）隔膜电池AGM ：采用吸收式玻璃纤维棉作为隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，电池内无流动的电解液，电池可立可卧放置。胶体电池GEL：采用SiO2做凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。电解液硫酸溶液（H2SO4，放电生成H2O）材料科学与工程学院储能材料与器件Z5700X0057HYG2014外壳和盖子：ABS树脂，提供正负极空间，提供足够机械强度和散热面积，一般810mm。安全阀：合成橡胶，耐酸，耐高低温，抗老化。提供单向排气功能，保持电池内压力正常，阻止氧气进入。具有滤酸，隔爆，抗震特性。同一组电池各安全阀 之间的开闭压力只差不应超过平均值的20%，寿命不低于15年。端子：连接片/棒状/螺柱/引出线。粘结剂密封。红色为正极，黑色为负极。材料科学与工程学院储

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