在当今社会，能源问题已成为全球关注的焦点。随着人类对能源需求的不断增加，传统化石燃料的大肆使用导致了环境污染和资源枯竭等问题。可再生能源作为清洁、可持续的新能源形式，正逐步成为能源发展的主流。然而，由于可再生能源的间歇性和不稳定性，储能技术的重要性愈发凸显。在所有储能技术中，电化学储能具有高效、灵活和可调控性，使其在发电侧、电网侧、用户侧以及微电网侧都可以得到广泛应用。目前，电化学储能在国家战略性新兴领域中扮演多重的重要角色。电化学储能广泛应用于可再生能源存储、交通运输及智能电网等诸多方面，通过提供高效能量转换和储存解决方案，有效减少生活生产的碳排放量，大力推动国家能源结构转型。因此，电化学储能技术已成为解决能源转换和存储问题的关键，也是我国双碳政策引导下急需大力发展和强化的储能技术之一。
当前，我国电化学储能产业已经形成了较为完善的产业链，且在国际市场上处于领先地位，具有较突出的竞争力。为了维持并增强这种竞争优势，我国需要在储能技术研发、专业人才培养、产业政策扶持、产业链协同发展、质量管理与标准体系建设等多个方面进一步发力，持续推动电化学储能产业链上的高质生产力建设和电化学储能技术的规模化应用。基于此，在规划的战略性新兴领域十四五高等教育教材体系建设目录中，新能源新材料体系都要求建设电化学储能相关的专业核心教材与核心课程，助力专业人才培养。
《电化学储能电源设计与应用》属于战略性新兴领域教材体系（新材料）建设目录中的规划教材，旨在系统介绍电化学储能技术的基本原理、设计方法和典型应用。本教材主要介绍电化学储能器件的工作原理、电池材料发展现状、储能电池系统的设计与应用场景，以及实际应用中的安全方面挑战与解决方案，为读者提供关键的技术知识和最新研究进展，也为培养未来电化学储能领域的专业人才和技术创新提供了坚实的理论和实践基础。在理论基础部分，第1~2章从电化学储能的基本概念、发展历程和未来展望出发，详细介绍不同电化学储能电池的组成及基本原理、电化学性能评价要素及电化学测试技术。结合最新的研究成果、技术进展及相关国家和行业标准，第3章总结了铅酸电池、镍氢电池、液流电池、锂离子电池、钠离子电池、固态电池等关键材料的结构特性和电化学性能。通过这些基础知识的学习，读者可以全面了解电化学储能的基础知识，为后续的电池器件的设计和应用奠定理论基础。在电化学储能电池设计部分，第4章首先从各项主要电化学性能指标和电性能评测出发，具体介绍了电化学储能系统的基本特点和关键设备。之后，第5章具体介绍了电化学储能系统的应用场景与设计要求，重点展示电化学储能技术在实际生产中的应用，包括电动汽车、智能电网、可再生能源发电系统、便携式电子设备等领域的具体应用案例。通过对这些实际案例的分析，帮助读者掌握电化学储能系统及电源设计的核心要点和前沿技术。最后，立足未来发展，第6章从安全性和环保性出发，介绍了电化学储能系统的结构设计与潜在安全问题及防范策略，以及电化学储能电池的回收梯次利用与材料再生等方面，使读者可以直观了解电化学储能技术在不同场景下的应用效果和发展前景。
本书适合高校相关专业的师生、从事电化学储能研究与开发的科研人员，以及对储能技术感兴趣的工程师和技术人员阅读和参考。我们希望这本书，能够为广大读者提供有价值的信息，激发大家对电化学储能技术的兴趣，共同推动储能技术的发展和应用。在编写过程中，我们参考了大量国内外文献和研究成果，得到了许多专家学者的指导和帮助。在此，我们向所有为本教材编写过程提供支持和帮助的朋友们表示衷心的感谢。
参与本书编写工作的有华南理工大学的胡仁宗（第1章、第2章、第6章）、华南理工大学的孟凡博（第3章）、湖南农业大学的刘辉（第4章、第5章），胡仁宗和孟凡博负责统稿。东莞理工学院的周钢参与了第6章部分内容的素材整理。广东省先进储能材料重点实验室、广东先进储能材料工程技术研究中心等单位的研究生也对本书编写过程做出了贡献，其中，曹旸、蔡彪、谢文政和杨鑫支持了图片编辑的相关工作，陈金伟、林梓豪、孙昭宇、刘米粒、张昊霖、王思哲和梁灏天提供了本书相关的电化学测试结果，郑思远、杜寒和周子豪绘制了书中涉及的晶体结构示意图,陈锡龙、胡龙、桑熠晖、罗凌劼及林瀚收集了水系电池的部分素材，夏煜豪、左业展及熊子涵整理了储能电池回收方面的部分内容，李祥杰、李自勇、杨振忠、马国政、胡子豪及葛宇翀整理了储能系统结构方面的部分内容。此外，本书也得到了华南理工大学2023年本科精品教材基金立项的支持，在此表示衷心感谢。
在编写过程中，我们力求内容系统、语言简练、示例丰富，并注重理论与实际的结合。但是，鉴于电化学储能技术的迅速发展和编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。希望本书能够为大家在电化学储能领域的学习和工作提供帮助，并激发更多创新和探索，共同为能源的可持续发展贡献力量。
编者
2024年6月
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
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