印度理工學(xué)院和圣路易斯華盛頓大學(xué)在液流電池運(yùn)行容量預(yù)測(cè)上取得進(jìn)展
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：氧化還原液流電池的容量預(yù)測(cè)
開發(fā)單位：印度理工學(xué)院德里分校，Anil Verma；圣路易斯華盛頓大學(xué)，Vijay K. Ramani.
文章名稱：Manshu Kapoor, Anil Verma, Vijay K. Ramani, et al. Predicting operational capacity of redox flow battery using a generalized empirical correlation derived from dimensional analysis. Chemical Engineering Journal, 2020
技術(shù)突破：將放電時(shí)間td作為因變量，利用無(wú)量綱分析的基本原理，本研究導(dǎo)出了一系列新的相關(guān)無(wú)量綱數(shù)。這些無(wú)量綱數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式可以預(yù)測(cè)RFB的工作容量和td，是采用特定的VRFB案例產(chǎn)生的。驗(yàn)證的關(guān)聯(lián)式舒適地預(yù)測(cè)了VRFB的td在±7%誤差范圍內(nèi)。此外，還利用關(guān)聯(lián)式對(duì)已發(fā)表文獻(xiàn)的少數(shù)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行td預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)從文獻(xiàn)研究中提取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的無(wú)量綱數(shù)的評(píng)估，該關(guān)聯(lián)式能在±10%誤差范圍內(nèi)預(yù)測(cè)VRFB的放電時(shí)間。
應(yīng)用價(jià)值：該關(guān)聯(lián)式有助于理解不同變量對(duì)RFB性能的影響，并且可用于縮放需要提供特定設(shè)計(jì)容量的RFB。
在現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)中，氧化還原流動(dòng)電池(RFB)是最適合于大規(guī)模電能存儲(chǔ)應(yīng)用的技術(shù)之一。給定功率下的RFB設(shè)計(jì)大體上受電化學(xué)反應(yīng)器中氧化還原對(duì)（活性物種）的選擇和電極尺寸的影響，而儲(chǔ)能容量的設(shè)計(jì)受氧化還原對(duì)和體積濃度的影響。RFB的工作容量預(yù)測(cè)取決于其放電時(shí)間的準(zhǔn)確量化，而放電時(shí)間受到電化學(xué)參數(shù)、組成參數(shù)、幾何參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)的影響，同時(shí)對(duì)每個(gè)參數(shù)的獨(dú)立研究都是一項(xiàng)相當(dāng)繁瑣的工作。RFB的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展都離不開能夠預(yù)測(cè)其運(yùn)行容量的合理方法。建立由相關(guān)幾何變量和物理變量組成的無(wú)量綱參數(shù)，及其廣義經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式是預(yù)測(cè)RFB在特定條件下運(yùn)行能力的有效方法，特別在工程應(yīng)用中，可以大大減少實(shí)驗(yàn)和計(jì)算工作量。
圖1 氧化還原液流電池的無(wú)量綱分析模型（左）及預(yù)測(cè)放電時(shí)間對(duì)比（右）
印度理工學(xué)院和圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究人員利用無(wú)量綱分析的基本原理，開發(fā)了由決定RFB放電過(guò)程的變量組成的無(wú)量綱數(shù)，即理論容量利用(TCU)、體積單位數(shù)(NVU)、瓦格納數(shù)(Wa)和Damkohler數(shù)(RDa)的倒數(shù)等。此外，利用VRFB的特定案例，導(dǎo)出了能夠預(yù)測(cè)RFB的工作容量或td的無(wú)量綱數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，適用于TCU（0.4-0.8）、NVU（4.6-13.9）、Wa（1-4）和RDa（33-161）的范圍。在本研究無(wú)量綱數(shù)的范圍內(nèi)，關(guān)聯(lián)式成功地預(yù)測(cè)了VRFB的td或工作容量，且在±7%(R2=0.93)誤差帶內(nèi)。通過(guò)對(duì)一些文獻(xiàn)研究的驗(yàn)證，還評(píng)估了導(dǎo)出的關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)能力，能在±10%誤差范圍內(nèi)預(yù)測(cè)VRFB的td。該關(guān)聯(lián)式有助于理解不同操作變量對(duì)RFB性能的影響，也可用于縮放需要提供特定設(shè)計(jì)容量的RFB。
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文章名稱：Tianyu Li, Xianfeng Li, et al. Cost, performance prediction and optimization of a vanadium flow battery by machine-learning. Energy & Environmental Science, 2020.
技術(shù)突破：開發(fā)了一種創(chuàng)新機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)方法，以精確優(yōu)化和預(yù)測(cè)VFB的效率和成本，該模型可以定量預(yù)測(cè)電壓效率和能量效率的平均絕對(duì)誤差在1%以內(nèi)，電解質(zhì)利用率、功率成本和能量成本在5.2%以內(nèi)，在現(xiàn)有技術(shù)下，預(yù)測(cè)VFB的系統(tǒng)成本可降低到200mA cm-2以下的$223kW h-1(在E/P=4 h)。
應(yīng)用價(jià)值：該方法可以指導(dǎo)液流電池的堆棧設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而進(jìn)一步加速其商業(yè)化。
由于具有靈活設(shè)計(jì)、高安全性、高效率和長(zhǎng)周期壽命等優(yōu)勢(shì)，處于商業(yè)示范階段的釩液流電池（VFB）是大規(guī)模儲(chǔ)能具吸引力的技術(shù)之一。VFB成本和性能與堆棧和電解質(zhì)高度相關(guān)，其中堆棧性能隨著材料、架構(gòu)和操作條件的變化而變化。目前，VFB堆棧的研發(fā)，包括關(guān)鍵材料、堆棧結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化，主要是基于仿真、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。這種方法耗時(shí)且昂貴，且很難厘清各種因素對(duì)系統(tǒng)性能和成本的影響。對(duì)于VFB堆棧的研發(fā)及快速商業(yè)化，開發(fā)可以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)VFB的堆棧性能和進(jìn)一步動(dòng)態(tài)評(píng)估成本的有效方法是至關(guān)重要的。
圖2 數(shù)據(jù)集的“完整特征”模型的殘差圖
圖3 在不同電壓效率和能量效率(E/P=4 h)系統(tǒng)成本預(yù)測(cè)隨著工作電流密度的變化
中國(guó)科學(xué)院大連物理化學(xué)所的研究人員在VFB堆棧研發(fā)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，整合了一種機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）方法，并對(duì)其材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而預(yù)測(cè)了未來(lái)的發(fā)展。該方法可顯著縮短VFB技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，并可推廣到其他材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或液流電池的設(shè)備運(yùn)行條件優(yōu)化上。該模型在實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)結(jié)果之間，可以實(shí)現(xiàn)電壓效率（VE）和能量效率（EE）的預(yù)測(cè)精度均在1%以內(nèi)，電解質(zhì)利用率（UE）、功率成本（P-cost）和能量成本（E-cost）在5.2%以內(nèi)，可用于輔助VFB堆棧的優(yōu)化，并預(yù)測(cè)其性能和成本。
