提起儲(chǔ)能電池，我們電動(dòng)汽車行業(yè)的小伙伴默認(rèn)就是鋰電池，其實(shí)，在鋰電池之外，還有許多種類的儲(chǔ)能形式存在，即使是具體到動(dòng)力電池，用來(lái)或者說曾經(jīng)用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車的電池也不止一種兩種。這是一篇匯總了超過十種儲(chǔ)能媒介的綜述，選擇翻譯它，主要就是太全面。《 Review of energy storage systems for electric vehicle applications  Issues and challenges》，作者M(jìn).A. Hannana等人。把今天的內(nèi)容與前面兩天的內(nèi)容匯總到一起，4.4節(jié)以后是今天的最新內(nèi)容。

概述

電動(dòng)汽車（EV）技術(shù)解決了減少溫室氣體排放的問題。電動(dòng)汽車的概念側(cè)重于替代能源的利用。然而，電動(dòng)汽車系統(tǒng)目前在能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（ESS）方面面臨安全、尺寸、成本和整體管理問題多個(gè)方面的挑戰(zhàn)。此外，先進(jìn)的電力電子技術(shù)在ESS中的應(yīng)用，是提高EV性能的另外一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文回顧ESS技術(shù)，分類，特性，結(jié)構(gòu)，電力轉(zhuǎn)換，以及在EV上應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。此外，本文討論的各種類型的電池，根據(jù)它們的能量存儲(chǔ)機(jī)理，材料組成，基于其容量的一般電力輸送過程和整體的ESS系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)和預(yù)期壽命。本文綜述了下一代電動(dòng)汽車應(yīng)用中ESS技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的諸多因素，挑戰(zhàn)和問題。

1 介紹

通過確保適當(dāng)利用先進(jìn)技術(shù)，世界正在走向發(fā)展。許多發(fā)展中國(guó)家和欠發(fā)達(dá)國(guó)家正在爭(zhēng)相實(shí)現(xiàn)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)進(jìn)步。解決公民的交通需求象征著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。全球流動(dòng)性和許多城市的發(fā)展明顯地增加了車輛在道路上行駛的數(shù)量。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，從1990年到2014年銷售約295.57百萬(wàn)輛汽車，2014年銷售總額的31.70％。預(yù)計(jì)2015年銷量增長(zhǎng)3％[1]。

車輛數(shù)量的增長(zhǎng)已經(jīng)導(dǎo)致兩個(gè)主要問題，即，交通擁堵和二氧化碳（CO2）的排放過量。一般來(lái)說，常規(guī)車輛在消耗大約總?cè)剂夏芰?5％[2,3]，其余以CO2，一氧化碳，氮氧化物，碳?xì)浠衔铮推渌麥厥覛怏w（GHG）的形式消散熱量; 總氣體排放量的83.7％為CO2 [4] 。CO2排放量，從1990年的227億噸急劇增加至2013的 352.7億噸[5]中，如圖1所示。隨著CO2從1990年開始的緩慢上升，見于圖1，在未來(lái)十年，該增長(zhǎng)率從2003年至2008年逐年加快。在2013年，排放量減小至3.80-2.00％。二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體之一，這是一個(gè)嚴(yán)重的全球環(huán)境問題。

脫碳在減少二氧化碳運(yùn)輸部門的排放量，具有重要作用。對(duì)化石燃料驅(qū)動(dòng)車輛的內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到CO2 排放目標(biāo)。因此，需要先進(jìn)技術(shù)才能達(dá)到長(zhǎng)期和更高的排放目標(biāo)。CO2和其他溫室氣體排放量的減少，是許多國(guó)家和研究的重要問題。許多國(guó)家和地區(qū)獨(dú)自或聯(lián)合通過了計(jì)劃，通過電動(dòng)車輛（EV）代替常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)車輛的方式減少CO2的排放[6,7] 。減排計(jì)劃已經(jīng)設(shè)定了未來(lái)幾十年的溫室氣體排放目標(biāo)[4]。電動(dòng)汽車具有高效率和低排放甚至零排放的優(yōu)點(diǎn)，因而吸引了各方的關(guān)注。 [8]。

圖 1. 運(yùn)輸二氧化碳（CO 2）排放量[5]。

電動(dòng)汽車將電力儲(chǔ)存在電化學(xué)電池，燃料電池（FC）和超級(jí)電容器（UCs）中運(yùn)行，其最終電力來(lái)源包括發(fā)電廠和可再生能源。根據(jù)動(dòng)力來(lái)源不同，電動(dòng)汽車有幾種類型，如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV），純電動(dòng)汽車（BEV），插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，光伏電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車[9，10]。不同于傳統(tǒng)的車輛，電動(dòng)汽車使用一個(gè)或多個(gè)動(dòng)力電源和電動(dòng)機(jī)[10,11]。電動(dòng)汽車中使用再生制動(dòng)和熱電發(fā)電機(jī)，以減少能源浪費(fèi)。車輛的制動(dòng)過程吸收其能量，將其轉(zhuǎn)換回電能，并將能量返回到電池，而熱電發(fā)電機(jī)將熱量從發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)器系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電力[3,11,12]。電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)通常不需要使用傳統(tǒng)的變速箱，并且在很寬的速度范圍內(nèi)具有高轉(zhuǎn)矩。此外，電動(dòng)汽車在靜止時(shí)不消耗任何動(dòng)力[13]，在運(yùn)行時(shí)消耗75％以上的能量。目前，電動(dòng)汽車平均使用1千瓦時(shí)電量續(xù)航4~8英里[3] 。

電動(dòng)車是高度依賴于能量存儲(chǔ)技術(shù)，例如 FC和UCS [3,14 - 16] ，它需要從電網(wǎng)充電。電動(dòng)汽車的額外能源需求是普通電網(wǎng)的新挑戰(zhàn)。為了滿足額外的電力需求，大多數(shù)國(guó)家正在投資可再生能源，如太陽(yáng)能和風(fēng)能 [16] 。 車輛自身的可再生能源和存儲(chǔ)的能源可以在用電高峰期間給大電網(wǎng)供電 （ V2G ） ， 在用電低谷期間從大電網(wǎng)充電恢復(fù)動(dòng)力性能  [17-19]。存儲(chǔ)在電池系統(tǒng)和其他存儲(chǔ)系統(tǒng)中的電能被用于操作電動(dòng)機(jī)和附件以及車輛的基本系統(tǒng) [20] 。VE上的電池存儲(chǔ)能量，除了用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還同時(shí)給車輛附件供電。車輛的續(xù)航和功率性能完全取決于電池的性能 [3,14 - 16] 。

電動(dòng)汽車中的電能存儲(chǔ)需要考慮許多要求。管理系統(tǒng)，電力電子接口，電源轉(zhuǎn)換，安全和防護(hù)對(duì)提高能量效率和實(shí)現(xiàn)EV分布式管理都非常重要 [21-25] 。電動(dòng)汽車需要高科技提供長(zhǎng)途續(xù)航和高能量使用效率。能源的選擇和管理，能量?jī)?chǔ)存和儲(chǔ)能管理系統(tǒng)對(duì)未來(lái)電動(dòng)汽車技術(shù)至關(guān)重要[23]。

能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)（ESS）正在成為電力市場(chǎng)中的重要一環(huán)，提高可再生能源的比例，減少二氧化碳排放量[4,5,8] ，重新定義智能電網(wǎng)概念[26-29] 。ESS對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)具有重要影響; 它提供了連續(xù)和靈活的電源供給并提高電網(wǎng)應(yīng)對(duì)不可控的額外功率波峰的出現(xiàn)。此外，ESS確保了因自然災(zāi)害造成的電力危機(jī)期間，仍然能夠?yàn)橄M(fèi)者提供可靠的服務(wù) [30]。

本文側(cè)重于ESS制造，利用，回收和處理過程中的環(huán)境和安全問題。不同類型的能量存儲(chǔ)技術(shù)按照發(fā)電過程，特點(diǎn)，以及在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用進(jìn)行一一解釋。分析比較現(xiàn)有的電化學(xué)儲(chǔ)能單元的特征。

圖2. EV架構(gòu)：a）電池供電的EV和b）串并聯(lián)全HEV

圖2顯示了電動(dòng)汽車的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[3]。圖2（a）和（b）分別給出了一個(gè)BEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)混合動(dòng)力汽車原理框圖。

2 典型ESS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ESS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與應(yīng)用該系統(tǒng)的場(chǎng)景及具體參數(shù)有關(guān)。ESS包括機(jī)械的，電化學(xué)的，化學(xué)的，電的，熱的和混合的等各種類型[30] 。這些系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)和組成的材料成分分類[14,30] 。圖3展示了儲(chǔ)能介質(zhì)的詳細(xì)分類，其中能夠應(yīng)用于EV的類型，涂成灰色。飛輪，二次電化學(xué)電池，F(xiàn)C，UC，超導(dǎo)磁線圈和混合ESS通常用于EV動(dòng)力系統(tǒng)[9,10,14 - 16,23,30 -33]。

圖3根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)形式和材料成分劃分的儲(chǔ)能系統(tǒng)分類（ESS）。

3 能量存儲(chǔ)系統(tǒng)

本節(jié)回顧全部?jī)?chǔ)能形式的結(jié)構(gòu)，電能轉(zhuǎn)換過程，性能特點(diǎn)，應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

3.1  機(jī)械存儲(chǔ)系統(tǒng)

機(jī)械存儲(chǔ)系統(tǒng)（MSS）通常用于發(fā)電過程。三個(gè)典型的機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)包括抽水蓄能（PHS），壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES），以及飛輪儲(chǔ)能（FES）。應(yīng)用最廣的MSS是PHS，用于抽水電站。在水量大的季節(jié)，將一部分水泵送到高處，儲(chǔ)存水勢(shì)能，利用水自高而低的勢(shì)能，帶動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。這個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)貢獻(xiàn)了世界大約99％的電力存儲(chǔ)容量，大約是全球發(fā)電容量的3％ [34]。CAES，壓縮空氣與天然氣混合，膨脹，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成混合氣體，輸送到燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電力 [35] 。CAES的實(shí)時(shí)需要等溫、絕熱和非絕熱儲(chǔ)存系統(tǒng) [33]。CAES適用于大容量電力生產(chǎn)。

3.1.1 飛輪儲(chǔ)能

由于電力電子和材料工程的進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（FES）適用于電動(dòng)汽車和動(dòng)力系統(tǒng)[36]。能量效率在90-95％和功率規(guī)模0-50 MW [36 - 43] 。飛輪系統(tǒng)包括在腔室中旋轉(zhuǎn)的圓柱形本體，聯(lián)接軸承，以及能量傳遞裝置，發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)一起安裝在一個(gè)共同的軸上[15,30,36,37] 。保持飛輪不斷旋轉(zhuǎn)的能量被轉(zhuǎn)換成推動(dòng)傳動(dòng)裝置的電能。

圖4. 基本FES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（a）兩個(gè)機(jī)械系統(tǒng)和（b）雙向能量流 的單一機(jī)械系統(tǒng) [30,33] 。

圖4示出了雙向能量流和一個(gè)機(jī)系統(tǒng)的的基本FES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式[30,33] 。飛輪上的能量都是以動(dòng)能的形式存在的，由公式（1）定義如下：

其中E是動(dòng)能，I是慣性矩，ω，m和r分別是飛輪的速度，質(zhì)量和半徑。

從公式（1）可以看出，該能量可以通過增加飛輪的慣性或轉(zhuǎn)速增加。FES系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是高的能量和功率密度，理論上無(wú)限的充電和放電循環(huán)，成本低，壽命長(zhǎng)，并且沒有放電（DOD）的深度影響 [33,36,37] 。但是，由于風(fēng)阻和軸承摩擦損失，F(xiàn)ES具有很高的自放電特性。FES可以分成高速和低速系統(tǒng)[36 - 39]。高速FES系統(tǒng)通過發(fā)電機(jī)傳輸能量來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而低速FES系統(tǒng)通過電機(jī)接收來(lái)自電源的電能。先進(jìn)的材料技術(shù)、設(shè)計(jì)、幾何形狀、構(gòu)建先進(jìn)的超高速飛輪（UHSF）和無(wú)摩擦軸承[36 - 39]，F(xiàn)ES系統(tǒng)被應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能應(yīng)用[40-43]。

3.2 電化學(xué)儲(chǔ)存系統(tǒng)

所有傳統(tǒng)的可再充電電池都屬于電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)（EcSSs）[44]，特別地指，液流電池（ FB ）和次級(jí)充電電池 EcSSs 。在 EcSSs ，能量從電到化學(xué)能 ， 反過來(lái)再?gòu)幕瘜W(xué)能到電能，能量效率高，物理變化小[44] 。但是，化學(xué) 反應(yīng)可能會(huì) 損耗電池壽命，消耗部分能量 [45] 充放電過程 ，沒有 有害的輻射和維護(hù)工作量小[46]。

3.2.1  液流電池（FB）

FB是可充電的，在FB中，能量?jī)?chǔ)存在電活性物質(zhì)中。電活性物質(zhì)溶解在罐中的液體電解質(zhì)中，通過電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，再將液體泵出反應(yīng)室。氧化還原流（RFB）和混合流（HFB）是FB的具體實(shí)施方式[30] 。 RFB 罐的總大小 反應(yīng)出電池的總能量的多少[30] 。

RFB表現(xiàn)出高的生命周期穩(wěn)定性，高效率，靈活 的功率和容量要求 ，這使 液流電池在自主 和獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用[47] 。圖5 顯示了 釩RFB（VRFB）的 結(jié)構(gòu)[47]。在VRFBs中，兩種液體帶有溶解的金屬離子的電解質(zhì)被泵送到電池塔里面反應(yīng)。多孔電極，稱為陰極和陽(yáng)極，通過膜分離彼此分隔，電能傳遞過程，只允許質(zhì)子通過隔膜。在充電時(shí)，活性物質(zhì)在電極表面反應(yīng)產(chǎn)生電流；放電期間，溶解的活性物質(zhì)從反應(yīng)罐提供電荷給電極 [30] 。RFB的典型實(shí)例是鐵-鈦，鐵-鉻，以及聚S-溴系統(tǒng) [48 - 50] 。參考文獻(xiàn)提供了幾種RFB模型[48 -50] 。

圖5釩氧化還原液流電池系統(tǒng)[47] 。

HFB有兩個(gè)富于活性物質(zhì)的部分; 一個(gè)存儲(chǔ)在電池中，另一個(gè)留在槽中的液體電解質(zhì)中。HFB電池是二次電池（SB）和RFB的組合。在RFB中，容量是通過電化學(xué)電池的尺寸定義。HFB遵循Zn-Ce和Zn-Br體系特性。在充電時(shí)，鋅被沉積在電極上，并在放電過程中，鋅離子流回到溶液[30] 。FB預(yù)期壽命15-20年，4 – 10h放電范圍，和60 -70％E FFI ciency 效率范圍[51]。目前，RFB和HFB正在設(shè)計(jì)用于社區(qū)能源存儲(chǔ)和公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用的電力存儲(chǔ)，用于提高電能質(zhì)量，UPS，調(diào)峰，增加供電安全以及與可再生能源系統(tǒng)集成[52,53 ]。

3.2.2 二次（可充電）電池

SBs主導(dǎo)著便攜式儲(chǔ)能設(shè)備市場(chǎng)，電動(dòng)汽車和其他電力和電子應(yīng)用。這些電池以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存電力，并通過電化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生電力[30]。通常，SB由兩個(gè)電極組成，即陽(yáng)極和陰極; 電解質(zhì)、隔膜 和一個(gè)外殼[24,32,53]。SB具有良好的特性，如高能量，高功率密度，平坦的放電曲線，低電阻，無(wú)記憶，和寬范圍的溫度性能[24] 。但是，大多數(shù)電池含有有毒物質(zhì)。因此，電池處置過程中的生態(tài)影響必須考慮[54]。由于其先進(jìn)的技術(shù)和合理的成本，在EV應(yīng)用中，主要由蓄電池提供具有高能量密度，高功率密度的蓄電系統(tǒng) [55-58] 。各種類型的電動(dòng)車主要包括鉛酸（LA），鎳基（Ni-Fe，Ni-Zn，Ni-Cd，Ni-MH，Ni-H 2），鋅 - 鹵素（Zn-Cl 2，Zn-Br 2），金屬空氣基（Fe-Air，Al-Air，Zn-Air），鈉-β（Na-S，Na-NiCl 2），高溫鋰（Li-Al-FeS ，Li-Al-FeS 2）和一般環(huán)境鋰[鋰聚合物（鋰聚合物），鋰離子（鋰離子）]電池[14,30,45]。

3.2.2.1 鉛酸電池。自1860年以來(lái)，鉛酸電池一直被用作商業(yè)能源 [45]。LA電池常見的用法是每臺(tái)內(nèi)燃機(jī)（ICE）車輛起動(dòng)電源，由于其堅(jiān)固耐用，運(yùn)行安全，溫度耐受性好和低成本，通常可用于應(yīng)急電源，可再生能源儲(chǔ)存和電網(wǎng)調(diào)峰 [15,30]。電池由Pb作為負(fù)極，PbO2 作為正極，H2SO4 作為電解質(zhì)[14,58]。發(fā)生在LA電池中的電化學(xué)反應(yīng)，如方程 （2）。

圖6顯示了放電和充電過程中的LA化學(xué)特征。在放電期間，產(chǎn)生PbSO4，在充電時(shí)水被釋放。電池日歷壽命6 - 15年，在80％DOD最多2000的循環(huán)壽命， 70 - 90％充放電效率[14,30] 。起動(dòng)點(diǎn)火（SLI）電池和UPS電池是LA電池的常見應(yīng)用，具有較小的額定電壓6V,8 V和12 V [58,59]。最近，閥控式LA（VRLA）由于其高功率，低的初始成本和快速充電能力，無(wú)需保養(yǎng)的要求[14] ，已經(jīng)成為鉛酸電池的主流。目前的研究主要集中在通過先進(jìn)VRLA電池材料，降低電池的尺寸和重量，保持高能量密度方面[60,61]。普通VRLA電池包括玻璃纖維電池（AGM）和GEL電池。

圖 6. 鉛酸電池化學(xué)：（ a ）放電期間，（ b ）充電期間和（ c ） LA 電池原型  [14,30] 。

AGM電池由含有玻璃纖維的電解液組成，該電解液是一種固體材料，可以吸收并容納酸液而不會(huì)泄漏。這些類型的電池體積小巧，占用空間少，抗振性比標(biāo)準(zhǔn)電池高。這種電池類型的特殊之處在于它在充電過程中將氫氣和氧氣重新結(jié)合到裝置內(nèi)部的水中，從而限制了水的損失 [45,58] 。GEL電池由凝膠態(tài)電解質(zhì)制成，其不完全固態(tài)電解質(zhì)形態(tài)，可以包含酸液而沒有泄漏。與其他電池相比，GEL電池需要較慢且可控的充電。然而，凝膠電解質(zhì)可能會(huì)出現(xiàn)氣泡問題，這可能造成電池的永久損壞 [58 - 61] 。

3.2.2.2 鎳基電池

鎳基電池利用氫氧化鎳作為正極，負(fù)極材料。根據(jù)有多種。根據(jù)負(fù)極材料額種類不同，鎳基電池可以分為：鎳-鐵，鎳-鎘，鎳-鋅，鎳氫，和Ni-H2 [3,14,30,45,62] 。通常，在鎳基電池中，活性材料羥基氧化鎳作為正極，氫氧化鉀作為電解質(zhì)，金屬Fe/Cd/Zn，MH或H2 材料作為負(fù)極 [14]。發(fā)生在鎳基電池中的整體電化學(xué)反應(yīng)式（3）：

圖7顯示了放電和充電過程中鎳基電池的化學(xué)成分。在放電和充電時(shí)，形成Ni（OH）2 和Fe/Cd/Zn（OH）2，M可以有不同成分組成。鎳-鐵和鋅電池，之所以不太實(shí)用于電動(dòng)汽車，是由于它們功率性能低，成本高，循環(huán)壽命短，和維護(hù)需求高[14] 。的Ni-Fe和Ni-Zn系電池能量效率75％左右。鎳鎘和金屬氫化物目前用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩膲勖芷冢?000次或更多）和能量密度。然而，鎳鎘具有高的記憶特性，并且價(jià)格高，是LA電池的10倍以上 [14,62 -67]。雖然這種類型電芯的所有鎳基電池中全部的優(yōu)點(diǎn)，需要考慮回收問題和材料有毒性問題 [64 - 67]。與此相反，鎳氫具有低記憶效應(yīng)，微小的環(huán)境影響性，和大的工作溫度范圍[14,30,45,62] 。盡管在運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量，并且需要復(fù)雜的算法和昂貴的充電器，但環(huán)境友好性和其免維護(hù)性確保了鎳氫電池比電源電池更適用于電動(dòng)汽車[14] [3]。Ni-H2具有高容量率，長(zhǎng)壽命周期，并且容忍過度充電或過度放電而不受損害。然而，這種類型電池價(jià)格昂貴，具有與H2 壓力成正比的自放電，低體積能量密度，是特別為太空探測(cè)生產(chǎn)的電源類型[45,62]。

圖 7. 鎳基電池化學(xué)。（ a ）放電期間，（ b ）充電期間，和（ c ）鎳基電池原型  [14,30,45,62] 。

3.2.2.3 鋅鹵電池

鋅鹵電池包括Zn-Cl2 和Zn-Br2，這些電池在EV能源存儲(chǔ)方面是可行的。1970年開發(fā)了用于電動(dòng)汽車和靜態(tài)儲(chǔ)能的Zn-Cl2 [14]。Zn-CL2能量密度約90Wh/ L，功率密度約60瓦/千克。Zn-Br2電池適合用于EV能量?jī)?chǔ)存，其能量密度70瓦時(shí)/千克，具有快速充電能力，和低的材料成本 [14,45,70,71]。然而，這種電池類型由于具有較低的比功率（90 W / kg），溴的高反應(yīng)性以及電解液循環(huán)和溫度控制系統(tǒng)尺寸較大，因此近年來(lái)在EV中的應(yīng)用已經(jīng)很少[14,45,70]。仍然有研發(fā)正在推進(jìn)用于車輛的Zn-Br2 電池 [71]。Zi-Br2 電池的整體電化學(xué)反應(yīng)用方程 （4）。

在Zn-Br2電池，能量通過Zn和Br組成的系統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行存儲(chǔ)和放出，該系統(tǒng)由如下部分組成：鋅，溴，鋅溴水溶液電解質(zhì)和電解質(zhì)存儲(chǔ)裝置和微孔塑料的隔膜。圖8顯示了Zn-Br2電池系統(tǒng)[14,45]。在該系統(tǒng)中，鋅溴溶液的電解液通過泵在兩個(gè)電極之間循環(huán)。在充電時(shí)，反應(yīng)在負(fù)極上沉積鋅而在正極上沉積溴；而在放電期間，在其各自的電極上形成鋅離子和溴離子。

Fig. 8. Zn-Br2 電池系統(tǒng) [14,45]

3.2.2.4 金屬空氣電池

金屬電極作為陽(yáng)極，從取之不盡空氣供應(yīng)氧氣作為陰極 [30,45,72 - 76] 。在金屬空氣電池中，鋰，鈣，鎂，鐵，鋁，和Zn被用作陽(yáng)極的金屬 [72 - 76] 。在這些元素中，鋰-空氣（Li-空氣）電池是最具EV應(yīng)用前景的。因?yàn)樗睦碚撃芰棵芏确浅８撸?1.14kWh /kg，不考慮空氣，它的比能量超過其他類型電池的100倍以上 [30,74,77-80] 。然而，這種類型電池的起火風(fēng)險(xiǎn)很高，含有水汽的空氣就可能造成起火 [30]。

鈣-空氣（CA-空氣）電池具有高能量密度，但它容量衰減非常快，并且比較昂貴[72] 。通常，鎂-空氣（MG-空氣）電池具有高比能量700Wh kg，設(shè)計(jì)用Mg合金取代Mg單質(zhì)，在海底車輛上應(yīng)用[45] 。電化學(xué)的可充電鐵-空氣（鐵-空氣）電池具有低的比能量75Wh/ kg和與其它金屬-空氣電池相比更低的成本 [45,72,73]。其全壽命周期成本較低，并且活性材料或形狀不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間的電氣循環(huán)而變形[45,73]。

鋁空氣（鋁-空氣）電池具有高比能量，端電壓，和安培-小時(shí)容量。然而，由于放電期間的水消耗，這些優(yōu)點(diǎn)減少[45,72]。鋁空氣電池可機(jī)械充電，利用水系電解質(zhì)，在沒有條件電氣充電的環(huán)境，每次放電后更換鋁電極即可實(shí)現(xiàn)充電 [45]。先進(jìn)的Al -空氣電池技術(shù)用的鋁合金制造電極，以避免腐蝕，并且在大的電流密度范圍內(nèi)可以獲得98％或以上的庫(kù)侖效率[46] 。這種類型的電池通常用于為船舶或水下車輛提供動(dòng)力。鋁氧（Al-O2）電池也可以在其他形式下使用，Al-O2 的輔助使得氫-FC 電池獲得了幾乎雙倍的比能量[45,72-76] 。

鋅空氣（鋅空氣）電池在技術(shù)上是可行的。該電池具有多種FC和常規(guī)電池的特性，并且可以進(jìn)行電氣和機(jī)械充電。鋅-空氣電池的反應(yīng)速率是通過改變氣體流量實(shí)現(xiàn)的[30,45,72-74,81,82] 。先進(jìn)的可充電鋅空氣電池使用雙功能空氣電極以獲得更好的使用壽命，并且可機(jī)械充電的鋅空氣電池的設(shè)計(jì)方式可以更換放電陽(yáng)極以避免形變[45,81,82 ]。高性能應(yīng)用中，設(shè)計(jì)考慮利用鋅-空氣電池的高比能量特性，和LA 電池的高功率特性，構(gòu)成鋅-空氣混合LA電池存儲(chǔ)系統(tǒng)[45,81,82] 。

圖9 顯示了在放電和充電過程中鋅-空氣電池的化學(xué)成分。在放電時(shí)，鋅電極通過釋放電子而被氧化，并且空氣電極產(chǎn)生氫氧根離子。在電池充電過程中，鋅沉積在鋅電極上，氧氣釋放到空氣電極中 [83] 。

圖 9. 鋅空氣電池化學(xué)成分：（ a ）放電期間，（ b ）充電期間和（ c ）鋅空氣電池原型  [83] 。

總體而言，金屬-空氣電池，因?yàn)樗鼈兊牡筒牧铣杀竞透咝阅埽瑸榭稍俪潆姷碾娔艽鎯?chǔ)應(yīng)用提供了一種選擇[61,73] 。在金屬 - 空氣電池中，整體電化學(xué)反應(yīng)在方程 （5）。

其中Me是金屬，例如Li，Ca，Mg，F(xiàn)e，Al和Zn; n是取決于金屬氧化的價(jià)態(tài)變化的值。

3.2.2.5 鈉-β電池

鈉（Na）對(duì)于電池陽(yáng)極來(lái)說是非常有吸引力的材料。鈉-β電池采用固體電解質(zhì)，具體的是使用β-氧化鋁（β-Al2O3）作為電解質(zhì)，在高溫下具有良好的Na+ 電導(dǎo)率和電絕緣性[83]。根據(jù)陰極材料不同，鈉-β電池分別被歸類為鈉硫（鈉-S）和鈉金屬鹵化物[14,30,45,83] 電池。Na-S由福特于1960年代特別為EV應(yīng)用開發(fā)[84]。后來(lái)，這種電池開始普遍用于大規(guī)模電能存儲(chǔ)，以支持公用事業(yè)和電網(wǎng)[63,84,85]。該電池具有高溫特性，在300-350℃范圍內(nèi)工作[14,84,59,83]。此外，它具有足夠的能量和功率密度, 分別為150-240WH/kg和150-230W/kg [45,53]，4500次循環(huán)壽命周期[30,33,53,85] ，高能量效率80%-90％[45,53,63,86] ，并且它便宜且安全的。然而，這種電池內(nèi)阻高[45]，Na腐蝕性強(qiáng)，并且它需要被加熱到約300℃維持電極的熔融狀態(tài)才能正常工作[59,63] 。Na-S電池由熔融形式的固體鈉作為陽(yáng)極和熔融硫作為陰極，使用固體β氧化鋁陶瓷電解質(zhì) [33,84]。電池系統(tǒng)如圖10所示。Na-S電池中的整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)如方程 （6）。

其中x是3 - 5。

圖 10. 鈉硫電池：（ a ）在放電和充電過程中，（ b ） Na-S 電池的管狀設(shè)計(jì)圖，（ c ） Na-S 電池原型  [30,33,53,83] 。

圖10顯示了放電和充電過程中Na-S電池的化學(xué)性質(zhì)[30,33,53,83]。在放電時(shí)，Na在Na-β界面處被氧化并產(chǎn)生正Na +離子，穿過β-氧化鋁電解質(zhì)，并與硫結(jié)合形成硫化鈉（Na2SX）。電子通過外電路以產(chǎn)生期望的輸出電壓。當(dāng)電池充電時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)[33,45,53,83,84]。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，鈉金屬鹵化物電池技術(shù)已經(jīng)可以在電動(dòng)汽車上應(yīng)用，它們的電池電壓比Na-S電池高[30]。這種類型的電池被稱為零排放電池（ZEBRA）[3,87]。鈉-金屬氯化物（鈉的MeCl2）電池在250-350℃溫度范圍內(nèi)的操作 [14,30] 。ZEBRA電池與鈉硫電池相比，具有對(duì)EV電源更具吸引力的一些特點(diǎn)：它具有較高的能量密度，較少的腐蝕，本質(zhì)安全性以及較Na-S更好的耐過度充電和過度放電性能，這是因?yàn)榘牍虘B(tài)陰極[45,84]，更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和更低的電池成本 [3,14]。然而，ZEBRA電池具有相對(duì)低的比功率150 W/kg，并且他們需要熱管理[14]和自放電比較嚴(yán)重[3,88,89] 。Na-NiCl2，NA- FeCl2和Na-Ni-FeCl2 ZEBRA電池可用于能量?jī)?chǔ)存應(yīng)用[87-89] 。

兩種鈉-β電池之間的主要區(qū)別是額外使用的鹽酸鋁鈉（NaAlCl4）作為第二電解質(zhì)[45]。ZEBRA電池的活性材料是熔融鈉作為陽(yáng)極，固體β-氧化鋁陶瓷作為主要電解質(zhì)，熔融鹽酸鋁鈉（NaAlCl4）作為輔助電解質(zhì)，以及多孔金屬氯化物（MeCl2）作為陰極[14]。金屬氯化物可以是氯化鎳（NiCl2），氯化鐵（FeCl2）或氯化鎳鐵（Ni-FeCl2）的組合。在Na-S電池中的整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)如方程 （7）。

圖11顯示了標(biāo)有所有元件的ZEBRA電池原型設(shè)計(jì)視圖[45,83,87]。充電和放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)類似于Na-S電池反應(yīng)過程。當(dāng)放電時(shí)，熔融的Na和NiCl2 被轉(zhuǎn)變成Ni和鹽（NaCl）中，而在充電時(shí)過程反轉(zhuǎn)[83]，如方程 （7）。如果電池過充電，那么主電解質(zhì)可能被分解，并且熔融的輔助電解質(zhì)NaAlCl4與Ni結(jié)合，從而形成NiCl，熔融Na和AlCl 3，如方程（8）所示，而不是分解NaAlCl4 以Na，Cl2和AlCl3的形式存在[14,45,87]

NaNiCl2電池特別用于大型或中型電力存儲(chǔ)的及電動(dòng)汽車。先進(jìn)的ZEBRA電池在長(zhǎng)時(shí)間使用期間已經(jīng)取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步[89]。

圖11. ZEBRA電池原型設(shè)計(jì)視圖[45,83,88]。

3.2.2.6 鋰電池

由于其高能量密度，由于其高的比能量和比功率，鋰SBs被認(rèn)為是用于EV能量存儲(chǔ)最有前途的電池 [3,83]。另外，鋰電池沒有記憶和無(wú)有害物質(zhì)，如汞和鉛等[3] 。但是，這種電池類型比較昂貴；需要安全防護(hù)和電池平衡系統(tǒng)，以確保在相同的電壓和電量水平上電池性能一致性[3,30,33,63,90,91]。

鋰電池有專為高溫環(huán)境應(yīng)用設(shè)計(jì)的品類。除了鈉-β電池，鋰-鋁-鐵（鋰-鋁- FES）和鋰-鋁-鐵（鋰-鋁-的FeS2）都是高溫鋰電池[14,45,59]。這些鋰硫電池在所有鋰電池中具有最高的能量容量。但此類鋰電池循環(huán)壽命短[3]，需要熱管理，并且由于需要維持工作溫度會(huì)造成大量能量損失[14]。鋰硫電池的操作溫度范圍375-500℃ [14,45]。高溫鋰-硫電池由鋰鋁合金作為陽(yáng)極，鐵硫化物為陰極，熔融的鋰氯化物氯化鉀作為電解質(zhì)和隔膜[14,59] 。在這些電池中，鋰-Al合金被用于控制鋰的活性，和鐵硫化物用于防止鐵的腐蝕[14,59] 。在兩種鋰硫電池類型中，總體電化學(xué)反應(yīng)如方程（9）和（10）所示。

在環(huán)境溫度下正常工作的其他鋰電池，主要是用于電動(dòng)汽車應(yīng)用的鋰聚合物電池和鋰離子電池[14,86]。聚合物和鋰離子電池之間的區(qū)別在于，前者使用鋰金屬作為一個(gè)反應(yīng)器，而后者系統(tǒng)中沒有金屬鋰 [14] 。鋰聚合物電池適用于各種制造形狀，并表現(xiàn)出堅(jiān)韌性和可靠性。然而，它們的導(dǎo)電性和功率密度都比較差[3]。

由于其體積小，重量輕和具有潛力[33,51,63,83,92]，鋰離子電池在儲(chǔ)能和便攜式電氣和電子產(chǎn)品中很受歡迎。1991年，索尼公司開始生產(chǎn)鋰離子電池，這種電池原本在20世紀(jì)60年代由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出[62,85,93]。鋰離子電池具有高能量密度，500至2000 W / kg的高功率密度[64,93]，自放電低，壽命長(zhǎng)[92]。然而，鋰離子電池的生命周期是明顯受到溫度的影響，并可能在遇到深放電時(shí)壽命受損 [63] 。按照正極材料的不停，鋰離子電池的類型被劃分為：錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰（LiFePO4），鎳-錳-鈷 -氧化物（LiNiMnCoO2），鋰鎳鈷鋁氧化物（LiNiCoAlO2）和鈦酸鋰（Li4Ti5O12）電池[14,92]。

鈷酸鋰電池是被開發(fā)的第一個(gè)類型。氧化鈷是比，鎳和錳等元素都要昂貴的元素，后者更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì) [94] 。LiFePO4 電池功率密度高，并且在所有鋰離子電池中成本最低[3,92]。LiFePO4 電池在熱穩(wěn)定性好，化學(xué)性能穩(wěn)定性好[3]，因此能夠廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車。由于Li4Ti5O12 電池比其他鋰電池充電更快，在電動(dòng)汽車中也有應(yīng)用[3]。鋰離子電池由作為陰極的鋰金屬氧化物（LiMeO2，例如LiCoO2，LiMn2O4，LiFePO4，LiNiMnCoO2，LiNiCoAlO2和Li4Ti5O12），有機(jī)碳酸鹽作為電解質(zhì)，鋰化石墨碳作為陽(yáng)極，以及隔膜組成[45,65,84,86,94,95]。鋰離子電池的整體電化學(xué)反應(yīng)如式（11）所示。

圖12顯示了放電和充電過程中鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)[31,45,84,95]。

電池充電時(shí)，Li+ 從陰極流向陽(yáng)極電解質(zhì)并通過與電子（e -）結(jié)合并沉積在碳層之間而形成鋰原子。在放電過程中，這些過程反向執(zhí)行[33,53,65,84,94]。目前，正在為下一代EV應(yīng)用開發(fā)鋰離子電池技術(shù)[65,83,92,96]。

圖 12. 鋰離子電池的化學(xué)特性：（ a ）在放電和充電過程中和（ b ）鋰離子電池的圓柱視圖  [31,45,84,95] 。

所有的電化學(xué)的 SB 用于EV的ESS總結(jié)在表1 [3,14,45,56 - 58,62,69] ，表格中展示了二次電池的主要特性參數(shù)：能量，能量密度，功率，能量效率，電池的生命周期，工作溫度范圍，每單位能量成本，和優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。圖13 從比能量和比功率角度描繪了電化學(xué) 電池的技術(shù)成熟度 [97] 。比較中，鋰離子電池在規(guī)模化商用的電池中，比能量和比功率具有明顯優(yōu)勢(shì) [56,64,98] 。此外，低成本鋰電池材料和電池管理系統(tǒng)的開發(fā) ， 在 降低制造成本方面取得了進(jìn)展 [60,90,91]，將有助于鋰電池在電動(dòng)汽車以及其他儲(chǔ)能形式中的進(jìn)一步應(yīng)用。此外，先進(jìn)的LA，鎳鎘，鎳氫，NIH2，鋅-空氣，鈉-S，和NA-NiCl2等具備鮮明特點(diǎn)的電池，在特定的車輛類型中也得到應(yīng)用。

表格1，電動(dòng)汽車電池的典型特征

Aa 80%放電深度；

B 3h放電倍率；

C 機(jī)械充電；

圖13. 多種電化學(xué)電池的比能量和比功率分布 [97] 。

3.3 化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)（CSS）

化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)（CSS）通過系統(tǒng)中化合物的化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量 [59]。FC是一種典型的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，可將化學(xué)能的燃料不斷轉(zhuǎn)換為電能[14,45,58]。燃料電池 FC 與電化學(xué)電池之間的主要區(qū)別就是他們提供電能的方式。 在 FC 中，燃料和氧化劑由外部 提供 ，并且這些部件集成在 電池內(nèi)部（金屬 - 空氣電池除外）[45]。FC的優(yōu)勢(shì)在于只要向其供應(yīng)活性物質(zhì)就可以發(fā)電。燃料電池效率在40%-85％范圍內(nèi)[14,58]。

FC 技術(shù)已被證明 ， 作為能量產(chǎn)生源，可以減少 化石燃料的使用和CO2 排放[58,88,89] 。燃料電池由液體或氣體燃料作為陽(yáng)極，氧氣，空氣和氯氣作為陰極側(cè)的氧化劑。特別是基于氫的 FC （ HFC ）在市場(chǎng)上很受歡迎。 HFC 氫氣和氧氣的組合 來(lái)發(fā)電。這種結(jié)合可以在電和水之間再生和逆轉(zhuǎn)[14]。根據(jù)燃料的不同，HFC被分為直接和間接系統(tǒng)燃料電池[45] 。在直接 FC 系統(tǒng)中，燃料（例如氫氣和甲醇）直接反應(yīng)，而在間接系統(tǒng)中反應(yīng) 的FC，燃料（例如，化石燃料和天然氣）先轉(zhuǎn)化成是富氫氣體，然后 供給到電堆進(jìn)行反應(yīng)[99] 。基于燃料和氧化劑的組合，電解質(zhì)的類型，操作溫度，和應(yīng)用，F(xiàn)C被劃分成幾種類型; 這些類型包括堿性FC（AFC），磷酸FC（PAFC），固體聚合物燃料電池 - 質(zhì)子交換膜FC（SPFC-PEMFC），再生FC（RFC），固體氧化物FC（SOFC），直接甲醇FC（DMFC）和熔融碳酸鹽FC（MCFC）[3,14,45,46]。AFC，PAFC，PEMFC和RFC直接用氫燃料作陽(yáng)極。燃料電池中的整體化學(xué)反應(yīng)如方程式 （12）。

圖14 顯示了簡(jiǎn)單的氫燃料電池化學(xué)反應(yīng)過程[14,46,58] 。注入的氫燃料通過在燃料電極的催化表面上解離，形成氫和電子。氫離子通過電解質(zhì)到達(dá)氧電極的催化表面。同時(shí)，電子通過外部電路移動(dòng)給負(fù)載供電。在其他電極的外側(cè)，水通過氫離子，氧和電子結(jié)合而產(chǎn)生 [45] 。在再生閉環(huán)過程中，電源電解器將水分離成氫氣和氧氣再次供給電池，從而產(chǎn)生電力和水，這個(gè)閉環(huán)只需要電力就可以反復(fù)循環(huán) [45] 。

圖14. HFC化學(xué)反應(yīng)[14,46,58]。

圖15示出了不同類型FC在操作溫度下的各種輸出功率水平[3,100] 。AFC，PEMFC和DMFC在常溫下運(yùn)行，適用于中低檔電力存儲(chǔ)應(yīng)用。PAFC使用中溫FC。這些FC，由于其操作效率高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和低排放而被運(yùn)用于交通運(yùn)輸[3,100]。MCFC和SOFC在600 - 1000°C [3,45,100]的高溫下運(yùn)行。這兩個(gè)FC用于大規(guī)模電力存儲(chǔ)，電力公司和電網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用。DMFC使用甲醇（CH3OH）直接作為燃料，因?yàn)樗葰涓菀變?chǔ)存[53]。DMFC是一種高能量密度的FC，但其電效率低，并且排放CO2[53]。SOFC具有較高的燃料效率，比DMFC更好的穩(wěn)定性，但它是昂貴的，需要高溫。由于發(fā)電效率比較高，SOFC作為一個(gè)潛在的輔助電源被用于EV上，因?yàn)樗鼈兊母唠娮由虅?wù)效率 [53,101 - 103] 。

SPFC（PEMFC）對(duì)于EV應(yīng)用來(lái)說具有一定的吸引力，因?yàn)樗哂兴蠪C中最高的功率密度，結(jié)構(gòu)中使用了固體聚合物膜電解質(zhì)和鉑催化的多孔電極[14]。只是固體聚合物膜電解質(zhì)和鉑催化電極的成本很高。目前，研發(fā)正在推進(jìn)降低其電極和電解質(zhì)的材料成本。烴膜成本較低，被認(rèn)為是替代品 [14,15,104]。PEMFC存在低壓應(yīng)用的場(chǎng)景，可以為小型電子系統(tǒng)充電[45]。

圖15.二的技術(shù)FF erent類型FC的[3100] 。

其他類型的FC還包括金屬空氣FC（MAFC）和微生物FC（MFC）[53,73]。微生物燃料電池是高能量密度的燃料電池，成本最低[53]。雖然MAFCs有充電問題，但對(duì)其進(jìn)行的研究正在進(jìn)行中，因?yàn)樵揊C是電動(dòng)汽車和海洋船只ESS的理想選擇。MFC是通過微生物的催化反應(yīng)從化學(xué)能量產(chǎn)生電能的生物FC系統(tǒng)[105]。MFC是基于介質(zhì)或者是無(wú)介質(zhì)的。在MFC介質(zhì)中，介質(zhì)（如甲基藍(lán)和腐殖酸）加速電池反應(yīng)，將電子轉(zhuǎn)移到電極上[105,106]。但是，介質(zhì)是有毒的，而且價(jià)格很高。在無(wú)介體MFC中，電化學(xué)活性細(xì)菌如希瓦氏菌和嗜水氣單胞菌幫助轉(zhuǎn)移電子[105,106]。微生物燃料電池使用基于土壤或光養(yǎng)生物陽(yáng)極和納米多孔隔膜[105-107]。這些類型的MFC現(xiàn)在適用于污水處理和直接從植物生產(chǎn)電力，例如大米和番茄[107]。微生物燃料電池主要用于低功率應(yīng)用，諸如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，廢水處理，氫氣產(chǎn)生，生物傳感器，醫(yī)療應(yīng)用，以及教育試劑盒等[105-107] 。

3.4 電存儲(chǔ)系統(tǒng)（EeSS）

EeSSs迪與ESS存在差異，主要在于他們的的存儲(chǔ)技術(shù)。通常，一個(gè)EESS以電的形式在隔離的電場(chǎng)或者電流形成的磁場(chǎng)中直接存儲(chǔ)電能。超級(jí)電容（UC）和超導(dǎo)體都屬于EeSS。

3.4.1 超級(jí)電容器（UCs）

就結(jié)構(gòu)和功能而言，UC與普通電容器類似。然而，UC可以具有高容量，其值為千法拉[3,33]，被稱為超級(jí)電容器。UC的比功率約1000 - 2000W/kg，能量效率95% [3,14,46,108 - 111] 。在所有ESS中，UC擁有最長(zhǎng)壽命，近40年。由于UC具有高功率存儲(chǔ)功能，在電動(dòng)汽車中被用于滿足大功率需求; 它不需要維護(hù)，而且溫度不敏感，操作時(shí)間長(zhǎng)[3,14,111]。用于快速充電和放電，在電動(dòng)制動(dòng)能量回收過程中，UCs被用作能量存儲(chǔ)器，并且為急速加速需要的能量來(lái)源[63,108-111]。

UC分為三類，即電雙層電容器（EDLC），贗電容器和混合電容器[3,14,64]。EDLC具有比其他的電容器更高的功率密度，但它比能量低，  5-7Wh /kg，高的自放電率，且成本高[3,63,64] 。由于這些原因，UCS一般都是與電池、FCS或者其他儲(chǔ)能形式聯(lián)合應(yīng)用，這樣就可以獲得一個(gè)功率密度高，能量密度高，使用壽命長(zhǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng) [63,65,108 - 114] 。圖16示出了單個(gè)UC單體結(jié)構(gòu)[115]。UC使用高介電常數(shù)的介電材料，多孔活性碳表面電極，有機(jī)或含水電解質(zhì)和薄的多孔隔膜[14,33,63]。有機(jī)UCs比UCs具有更高的能量密度和端電壓[63]。有機(jī)UCs通常用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車[14]。如圖16所示，離子通過UCs中的電解質(zhì)在電極之間傳播。

存儲(chǔ)在電容器中的能量與其電容成正比，并與電極兩端的電壓成正比，隨著電極表面積和電介質(zhì)材料介電常數(shù)的增加，電極間距離的減小，容量增加，并且隨著電極，數(shù)值關(guān)系如方程 （13）所示[14,15,33,58]。

其中WC 是靜電能量，C是UC的電容值，V是電極兩端的電壓，Q是電荷，ε是介電材料的介電常數(shù)，A是電極的表面積，d是電極。

圖16.EDLC電池結(jié)構(gòu)[115]。

圖17. SMES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[53,95]。

UC可以是對(duì)稱或不對(duì)稱的配置，使得它們或者具有相同電極材料或者材料不同。鉛碳電容器是不對(duì)稱UC的很好例子[116]。碳納米管UC技術(shù)具有100kW/kg的高功率密度和60 Wh/kg的較高能量密度[64] 。目前正在研究利用納米結(jié)構(gòu)材料開發(fā)UC [69,117]。由于較高的功率和能量密度，贗電容器和混合電容器在能量存儲(chǔ)應(yīng)用中表現(xiàn)出較好的性能[64] 。最近，鋰離子電容器（LIC）已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)，它具有比其他UCs 更高的端電壓和能量密度[56,118,119] 。LIC以與UC相同的高功率密度運(yùn)行。目前市場(chǎng)上用于電動(dòng)汽車的鋰離子電容器功率為80Wh/kg，可部分替代鋰離子電池[56,119]。

3.4.2 超導(dǎo)磁ESS

超導(dǎo)磁能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)能量。SMES系統(tǒng)具有高的能量存儲(chǔ)效率，約97％，完全放電能力，100000次循環(huán)壽命，和毫秒的快速響應(yīng)[45,53,69,86] 。然而，最初的成本高，典型的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)可以達(dá)到205-340 $/kW，雖然成本比EDLC低[53,69] 。一般SMES的功率范圍在kW到MW，而研發(fā)的重點(diǎn)是如何控制SMES系統(tǒng)。SMES 的結(jié)構(gòu)如圖17所示[53,95]。能量被存儲(chǔ)在一個(gè)超導(dǎo)電磁線圈，線圈浸泡在液體氦（或由鈮-鈦合金的液態(tài)氦）中，溫度2-4 K [53,111,120,121] 。然而，SMES需要一個(gè)制冷系統(tǒng)來(lái)維持低溫，并且需要一個(gè)DC/AC電源變流器[46,51,86] 。超導(dǎo)材料正在開發(fā)一種更便宜的冷卻劑，如液氮。可以在低溫和高溫之間形成混合SMES系統(tǒng)，用于更高容量的超導(dǎo)存儲(chǔ)系統(tǒng) [120,121]。通常，SMES用于UPS，改善電能質(zhì)量和電網(wǎng)系統(tǒng)[51]，也被引入混合動(dòng)力電動(dòng)汽系統(tǒng)中。存儲(chǔ)于SMES系統(tǒng)能量的多少，直接取決于線圈的自感和流過線圈的電流的平方，如公式（14）所示[53]。

其中WL是存儲(chǔ)在電感線圈中的能量，L是自感，I是通過線圈的電流。

3.5 熱儲(chǔ)存系統(tǒng)（TSS）

TSS以熱的形式存儲(chǔ)能量，從太陽(yáng)能或電加熱器產(chǎn)生的熱量保存在絕熱容器中，用于后續(xù)發(fā)電廠發(fā)電或者其他加熱用途[30,33] 。熱能儲(chǔ)存以各種方式實(shí)現(xiàn)，例如潛熱儲(chǔ)存，熱敏材料和熱化學(xué)吸附儲(chǔ)存系統(tǒng)[30,122,123]。潛熱儲(chǔ)存系統(tǒng)使用有機(jī)（例如，石蠟）和無(wú)機(jī)（例如水合鹽）和相變材料（PCM）作為存儲(chǔ)介質(zhì)以允許在存儲(chǔ)介質(zhì)的相變期間進(jìn)行熱交換[30]。熔鹽是固液相變的最新PCM材料，用于集中式太陽(yáng)能發(fā)電廠[30,124]。潛熱存儲(chǔ)系統(tǒng)具有高能量密度和常溫下的高傳熱效率[30,123] 。熱敏材料蓄熱系統(tǒng)是常見的，技術(shù)范圍廣，介質(zhì)類型包括固體（如地面，鑄鐵或混凝土）或液體（如水或熱油）的存儲(chǔ)介質(zhì)[30]。在這些系統(tǒng)中，熱存儲(chǔ)取決于在存儲(chǔ)介質(zhì)中的溫度變化，容量取決于介質(zhì)的比熱和質(zhì)量[30]，如等式（15）所示[111]。熱化學(xué)吸附儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜且昂貴，給定了材料中吸熱和吸收熱量的過程。但是，這種系統(tǒng)的能量密度比水的存儲(chǔ)系統(tǒng)的能量密度高三倍[30]。在EV上，自動(dòng)熱電發(fā)電系統(tǒng)，將廢熱轉(zhuǎn)換成電能，可以從總體上優(yōu)化系統(tǒng)效率，降低燃料成本[3] 。

其中Et 是儲(chǔ)存在V體積中的熱能，K是熱系數(shù)，T1 和T2 分別是溫升前后的溫度。

3.6 混合存儲(chǔ)系統(tǒng)

考慮ESS應(yīng)用于電動(dòng)汽車和其他儲(chǔ)能場(chǎng)景，這取決于系統(tǒng)要求ESS對(duì)系統(tǒng)發(fā)揮多大的作用和需要怎樣的效率。單獨(dú)而言，所有ESS都無(wú)法提供所有功能，如能量密度，功率密度，放電倍率，循環(huán)壽命和成本[3,14,56,58,125-136]。因此，ESS需要通過組合具有互補(bǔ)特性的兩個(gè)或更多ESS來(lái)優(yōu)化能量存儲(chǔ)和傳遞的特征的需求，從而確保ESS的最佳性能。

混合ESS（HSS）已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，它們將兩個(gè)或更多ESS的輸出功率與互補(bǔ)特征進(jìn)行結(jié)合[3,14,15,33,35,58,125-136]。在HSS系統(tǒng)中，高功率密度和ESS高能量密度ESS，或快響應(yīng)ESS和慢響應(yīng)ESS，或高的成本和低成本ESS的組合是由功率電子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)配，為負(fù)載提供最適當(dāng)?shù)膭?dòng)力[14,15,33,58,125-136]。HSSS可以分類為：電池和電池混合動(dòng)力汽車，電池和超級(jí)電容器混合動(dòng)力汽車，F(xiàn)C和電池混合動(dòng)力汽車，電池和SMES混合動(dòng)力，以及電池和FL飛輪混合動(dòng)力汽車，CAES（壓縮空氣儲(chǔ)能）和電池混合動(dòng)力汽車，F(xiàn)C和UC混合動(dòng)力汽車，F(xiàn)C和超高速飛輪混合動(dòng)力汽車，CAES和UC混合動(dòng)力汽車，是近距離和遠(yuǎn)距離組合的HSSS系統(tǒng)[3,14,15,33,56,58,125-136]。Zn-Air和VRLA，Zn-Air和NiMH，鋅-空氣和鋰離子，F(xiàn)C和VRLA，F(xiàn)C和NiMH和FC和鋰離子混合動(dòng)力，是高低功率的組合。VRLA和UC，NiMH和UC，鋰離子和UC混合動(dòng)力車是低功率和高功率需求的組合。FC和UC，F(xiàn)C和UHSF，CAES和UC混合用于長(zhǎng)期應(yīng)用；其他的組合形式也有被應(yīng)用，鋰離子和UHSF/SMES，CAES和VRLA [14,56,125 - 136]。

混合ESS能吸收高頻UC和低頻電池性能波動(dòng)，獲得優(yōu)化的高功率和高比能量[14] 。FC和電池混合，比單獨(dú)分別使用表現(xiàn)出更高的功率特性和效率。FC和UC混合動(dòng)力汽車對(duì)于EV應(yīng)用具有吸引力，因?yàn)樗鼈兙哂幸话愕凸β剩矐B(tài)高功率的能力[14,56]。建立混合動(dòng)力ESS，將功率電子用于EV，應(yīng)用程序接口的結(jié)構(gòu)如圖18 [3,35,56,58,125-136] 。在圖18（a）中，2種能源的ESS，例如電池和UCS，處于被動(dòng)結(jié)構(gòu)，擁有相同的端電壓，這是一個(gè)簡(jiǎn)單高效的結(jié)構(gòu)[3,126 - 130] 。圖18（b），（c）（1）和（c）（2）示出了放置在兩個(gè)ESS之間的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)ESS之后的兩個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器以及三個(gè)ESS之后的三個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器。在（b）（2）中，固定的DCDC鏈路結(jié)構(gòu)體中的逆變器，比（b）（1）鏈路中的效率高得多，因?yàn)椋╞）（1）中需要逆變器去維持UC的端電壓[3,124 - 129]。

圖18. HSS的結(jié)構(gòu)：a）兩個(gè)并聯(lián)的ESS（無(wú)源），b）一個(gè)串聯(lián)的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器; c）兩個(gè)串聯(lián)的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，d）兩個(gè)并聯(lián)的兩個(gè)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，以及e）多輸入ZVS雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器。

包含兩個(gè)DCDC的18（C）（1），兩個(gè)ESS有近似的端電壓，其中一個(gè)DCDC轉(zhuǎn)換器控制電池的輸出電流；第二個(gè)DCDC調(diào)節(jié)來(lái)自UCS的負(fù)載所需要的功率[3,124 - 130]。結(jié)構(gòu)18（c）（2）類似于18（c）（1），但其中一個(gè)ESS更多的考慮用于穩(wěn)定的能量?jī)?chǔ)存和供應(yīng)。圖18（d）示出了兩個(gè)并聯(lián)輸入的去耦結(jié)構(gòu)的雙向的DC-DC轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)具有跟高的靈活性，穩(wěn)定性，和高效率；提供了緊湊的HSS和冗余服務(wù)來(lái)解決單一電源的故障問題。然而，該結(jié)構(gòu)降低了電池的壽命，因?yàn)榇蟮妮敵鲭娏鹘o電源帶來(lái)巨大壓力[3,126-130] 。最近開發(fā)出來(lái)的，使用分離的多輸入ZVS雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，如圖18（e）所示，其可以共享源之間的最佳功率，具有高的功率效率，高可靠，高耐用，但有一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)[3,133-136]。

4 EV儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)

適用于電動(dòng)汽車應(yīng)用的ESS的選擇主要取決于它們的特性，即容量，總輸出功率，放電時(shí)間，DOD，自放電，循環(huán)壽命，充放電效率，尺寸和成本。ESS的容量定義為完全充電之后，系統(tǒng)中的存儲(chǔ)可用能量的總量。依據(jù)自放電，DOD和響應(yīng)時(shí)間方面的不同，ESS到ESS的容量利用率可能不同[46]。ESS中的可總能量限制了轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和負(fù)載參數(shù)，而 ESS只可以在其最大值下放電或再充電。ESS功率的輸出和放電取決于系統(tǒng)響應(yīng)和需求。功率特性可以體現(xiàn)為放電倍率，或者根據(jù)負(fù)載要求放出需求電量的總體時(shí)間 [46,58]。放電時(shí)間是存儲(chǔ)在ESS中的能量的量與從該系統(tǒng)遞送的最大能量的量的比率。自放電特性是指當(dāng)ESS未運(yùn)行或閑置時(shí)隨時(shí)間流逝的能量損失量。

循環(huán)壽命是指ESS的耐久性，取決于ESS可以充電后提供能量的次數(shù)。循環(huán)壽命取決于構(gòu)成ESS的材料和操作水平。效率指的是ESS從所存儲(chǔ)的能量中輸送的能量的量。ESS可能受到幾個(gè)參數(shù)的限制，如自放電，循環(huán)壽命，材料特性，能量轉(zhuǎn)換和工作溫度。ESS的規(guī)模是EV應(yīng)用ESS的關(guān)鍵特征。緊湊的尺寸對(duì)應(yīng)于電池效率性能。高能量密度對(duì)應(yīng)于小的質(zhì)量和體積。成本與規(guī)模密切相關(guān)。而且，ESS的資本成本包括存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，材料，包裝，維護(hù)，損耗，壽命，因環(huán)境問題的經(jīng)營(yíng)成本的一部分[4- 8,46] 。

ESS的性能由它的基本特性參數(shù)決定。高能量密度，高功率密度和小尺寸能量存儲(chǔ)應(yīng)用是必不可少的ESS特征。此外，在制造和選擇ESS作為EV動(dòng)力過程中，需要確認(rèn)的，零排放，可以忽略不計(jì)自放電，低的化學(xué)反應(yīng)引起的材料腐蝕，長(zhǎng)的耐久性，高效率，和低維護(hù)成本。ESS需要對(duì)爬坡過程作出快速反應(yīng)，并在正常運(yùn)行中保持穩(wěn)定。為了這些目的，混合的ESS都提出了用于改進(jìn)在EV應(yīng)用中更好的ESS [125-136]。如今，R＆d工作主要集中在改進(jìn)技術(shù)以及ESS先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)。

5 不同儲(chǔ)能形式的整體比較

不同儲(chǔ)能形式，在運(yùn)行時(shí)間周期和適用規(guī)模上存在不同，比如液流電池比較適應(yīng)大規(guī)模儲(chǔ)能，抽水蓄能更是只有大型水電站的專項(xiàng)；而鋰電池，在日用消費(fèi)品，3C產(chǎn)品上做電源已經(jīng)司空見慣。從周期和規(guī)模兩個(gè)維度定位儲(chǔ)能形式，見圖19。以整體循環(huán)壽命和效率兩個(gè)維度來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)能形式，見圖20。站在大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用的角度，考慮不同儲(chǔ)能形式之間的成本對(duì)比，見圖21。

圖19 能量存儲(chǔ)技術(shù)

圖20. ESS在效率和循環(huán)壽命參數(shù)分布。

圖21.用于大規(guī)模儲(chǔ)能的ESS總資本成本[69]。

鋰電池?zé)o疑是當(dāng)前市場(chǎng)篩選出來(lái)的佼佼者，我們看一下鋰電池在這三幅圖中的位置，圖19：功率性能偏低，放電周期居中；圖20：效率中上，壽命偏低；圖21：?jiǎn)挝还β食杀酒撸瑔挝荒芰砍杀酒汀?/p>

把諸多儲(chǔ)能形式放到一起，我們不難發(fā)現(xiàn)，單純一種儲(chǔ)能形式，想要一己之力滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的全部要求，是比較困難的。而隨著系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，尤其儲(chǔ)能系統(tǒng)控制管理水平的提升，個(gè)人感覺，儲(chǔ)能的遠(yuǎn)期形式很可能是混合儲(chǔ)能，關(guān)鍵影響因素是復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)建成本的降低，至少達(dá)到延長(zhǎng)的儲(chǔ)能介質(zhì)壽命可以補(bǔ)償系統(tǒng)成本的時(shí)候，混合儲(chǔ)能的春天可能就會(huì)來(lái)了。

而電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于空間的有限，還受到另外一些因素的制約，最突出的一個(gè)就是用戶對(duì)續(xù)航的焦慮感。這種焦慮使得生產(chǎn)者有強(qiáng)大的動(dòng)力追求能量密度。目前，我們大多把給一輛車裝載更多電量，當(dāng)做解決續(xù)航焦慮的最主要途徑。實(shí)際上，換一個(gè)角度，提高能量密度不一定是最快的途徑，并且很容易出現(xiàn)天花板。反而充電樁的建設(shè)和快速充電技術(shù)的進(jìn)步，可能領(lǐng)先一步解決這個(gè)問題。

參考文獻(xiàn)

內(nèi)容主要整理自： Review of energy storage systems for electric vehicle applications  Issues and challenges，作者M(jìn).A. Hannana等人。