中國儲能網(wǎng)訊：近日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系趙天壽院士、魏磊副教授在液流電池強化傳質(zhì)方向取得進展，相關(guān)論文以“Dead-zone-compensated design as general method of flow field optimization for redox flow batteries”在美國科學(xué)院院刊（PNAS）發(fā)表。該工作突破了以往流場設(shè)計的固有思路，發(fā)展針對液流電池傳質(zhì)真空區(qū)域檢測與調(diào)控的新方法，使得液流電池能量效率和額定工作電流密度等關(guān)鍵指標(biāo)顯著提升。
液流電池內(nèi)部傳質(zhì)真空的現(xiàn)象已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和報道，但由于涉及到多部件、跨尺度和多物理場耦合過程，其形成機理尚未被系統(tǒng)性地分析和討論。復(fù)雜的物質(zhì)傳輸和耦合反應(yīng)的過程使得多孔電極表面活性物質(zhì)分布難以各處均勻，以活性物質(zhì)的對流通量作為評價指標(biāo)時，通常能夠發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)真空區(qū)域與液流電池流場結(jié)構(gòu)設(shè)計、流道內(nèi)的水力壓力、肋下流強度等具有強關(guān)聯(lián)性（圖1）。在明晰液流電池內(nèi)涉及傳質(zhì)真空區(qū)域形成的多部件、多尺度、多物理場耦合過程后，本研究提出了一個用于液流電池的檢測與調(diào)控的通用性設(shè)計方法（圖2）。
圖1 液流電池內(nèi)電解液的流動與傳質(zhì)真空區(qū)域的形成
圖2 針對已有流場設(shè)計的真空區(qū)域檢測與調(diào)控工作流程
根據(jù)上述方法，本研究以全釩液流電池為例，搭建了以釩離子作為活性物質(zhì)的三維多物理場數(shù)值仿真模型和實驗平臺，進一步驗證檢測與調(diào)控效果。三維計算流體力學(xué)仿真結(jié)果顯示傳統(tǒng)蛇形流場和文獻報道的改進蛇形流場中均存在低壓力差區(qū)域，而在迭代優(yōu)化后，調(diào)控設(shè)計將顯著提升相鄰流道壓力差（圖3）。三維多物理場仿真結(jié)果顯示，相應(yīng)區(qū)域的電解液流速和活性物質(zhì)濃度顯著增加（圖4）。
圖3 調(diào)控前后的流道內(nèi)水力壓力分布
圖4 調(diào)控前后的電解液流速與活性物質(zhì)濃度分布
在此基礎(chǔ)上，液流電池的電化學(xué)性能可以通過對比多個關(guān)鍵指標(biāo)進行量化驗證。在放電過程中的負極側(cè)，多孔電極中的活性物質(zhì)平均濃度和分布均勻性系數(shù)的提升是傳質(zhì)真空區(qū)域得到調(diào)控的有力證據(jù)（圖5）。與此同時，調(diào)控設(shè)計的流場會一定程度的增加壓降從而犧牲一部分的泵功。充放電曲線和能量密度曲線對比了調(diào)控前后的電池容量保持率和能量效率，在80%能量效率下的最大工作電流密度達到了205mA cm-2 （圖6）。
圖5 調(diào)控前后數(shù)值仿真的電池性能
圖6 調(diào)控前后實驗驗證的電池性能
以上結(jié)果從理論、仿真和實驗等方面充分驗證了所提出的所提出方法的有效性。除此之外，該設(shè)計方法具有通用性，可以被遷移和應(yīng)用于其他流場圖案中。在相同的電解液流量下，以能量效率和泵功損耗修正的系統(tǒng)能量效率作為評價指標(biāo)，引入調(diào)控設(shè)計能夠分別實現(xiàn)能量效率3.1~4.6%和2.7~4.3%的提升（圖7）。
圖7 真空區(qū)域檢測與調(diào)控通用方法應(yīng)用于不同流場圖案
這項工作關(guān)注液流電池中普遍存在的傳質(zhì)真空區(qū)域的現(xiàn)象，揭示了流場設(shè)計與傳質(zhì)真空區(qū)域形成原因及影響規(guī)律，從多部件、多尺度和多物理場的耦合機理出發(fā)，提出了檢測與調(diào)控的通用方法。將三維多物理場耦合數(shù)值仿真模型與實驗分析相結(jié)合，調(diào)控設(shè)計對液流電池性能的提升作用得到了全面驗證，有極大潛力被應(yīng)用于大面積液流電池堆設(shè)計中。
趙天壽院士和魏磊副教授為論文共同通訊作者，機械與能源工程系2022級博士生潘律名與訪問學(xué)者孫靜為共同第一作者。南科大為論文第一單位。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會和中鹽鹽穴綜合利用股份有限公司的支持。
