全钒液流电池开路电压模型

建立全钒液流电池六参数开路电压计算模型,揭示开路电压由电池总电势和VO₂⁺/VO²⁺电极电势决定,并与电解液中钒离子透膜扩散行为密切相关。模型计算得到开路电压存在两个电压平台和一个转折点,与实验结果较为一致。利用该模型计算了电池开路时电解液中4种钒离子浓度随时间的变化关系,指出电池电解液不均衡性是由不同价态钒离子在膜相的Donnan平衡和透膜扩散系数不同产生的。该模型可为优化电池操作提供理论指导,并可为电池长期运行时电解液管理提供工程指导。     

全钒液流电池VO2+离子跨膜渗透行为

采用静止型全钒氧化还原液流电池,利用紫外分光光度法,研究电解液钒离子跨膜渗透行为,讨论浓度、温度、荷电状态(SOC)、电场以及渗透压等对VO²⁺离子跨膜传质的影响,关联相应的钒离子渗透系数。研究结果表明,提高钒电解液浓度可以有效减缓钒离子跨膜传递速率,提高能量效率;适当降低体系温度,可以抑制钒离子的跨膜渗透,减小电池化学短路的发生;VO²⁺离子渗透系数随SOC值增加而迅速减小;正向电场存在会促进VO²⁺离子透膜扩散,加剧电池自放电;隔膜两侧液面渗透压的作用会加速钒离子跨膜渗透,造成电池容量衰减。     

全钒氧化还原液流电池的发展现状

简要介绍了全钒氧化还原液流电池的工作原理,并对钒电池的组成及其电解液的制备方法和钒电池的分类及市场前景进行了简明叙述。列举了钒电池在国外的商业化情况,并简要分析了国内外钒电池的发展过程和研究现状。中国风能、太阳能等可再生资源储量丰富,对环境友好的大容量存储电池需求迫切,因此认为近几年中国全钒氧化还原液流电池具有良好的发展前景,这将会极大促进中国钒资源的开发。     

连续共价有机框架筛分复合膜及全钒电池性能

设计了应用于全钒液流电池的尺寸筛分效应共价有机框架/聚醚砜(COF/PES)复合膜,利用纳米片的有序交错堆叠在聚醚砜支撑层上构建了具有均匀埃米级离子传输通道的连续COF分离层。连续COF层的规整刚性骨架赋予了膜极低的溶胀比,有序的埃米级孔道(有效孔径约为0.6 nm)对氢/钒离子具有精确的尺寸筛分作用。COF/PES筛分复合膜的钒渗透率仅有0.61×10^-8 cm^-2·s^-1,质子/钒离子选择性为Nafion 212的4.0倍。电流密度为80 mA·cm^-2下复合膜的能量效率达到82.9%,优于Nafion 212(81.2%)。100 mA·cm^-2下的长循环测试中,复合膜电池容量保持率相比于Nafion 212电池提高了16.2%,表明连续COF/PES筛分复合膜在全钒液流电池中具有广阔的应用前景。     

连续共价有机框架筛分复合膜及全钒电池性能

设计了应用于全钒液流电池的尺寸筛分效应共价有机框架/聚醚砜(COF/PES)复合膜,利用纳米片的有序交错堆叠在聚醚砜支撑层上构建了具有均匀埃米级离子传输通道的连续COF分离层。连续COF层的规整刚性骨架赋予了膜极低的溶胀比,有序的埃米级孔道(有效孔径约为0.6 nm)对氢/钒离子具有精确的尺寸筛分作用。COF/PES筛分复合膜的钒渗透率仅有0.61×10^-8 cm^-2·s^-1,质子/钒离子选择性为Nafion 212的4.0倍。电流密度为80 mA·cm^-2下复合膜的能量效率达到82.9%,优于Nafion 212(81.2%)。100 mA·cm^-2下的长循环测试中,复合膜电池容量保持率相比于Nafion 212电池提高了16.2%,表明连续COF/PES筛分复合膜在全钒液流电池中具有广阔的应用前景。     

全钒液流电池电解液的制备及性能优化进展

全钒液流电池以其本质安全等优点成为大规模长时储能的优选,电解液作为全钒液流电池的关键组成部分,对电池性能起着至关重要的作用。对全钒液流电池电解液产业化制备方法以及钒电解液性能优化之电解液支持体系与添加剂对电解液性能的影响进行综述。并指出,目前全钒液流电池电解液产业化制备方法以化学还原法和化学还原联合电解法为主,在钒电解液性能优化方面,混酸支持电解质体系优化,以及电解液添加剂的理论研究和经济分析,是今后产业研究者应重点关注的方向。     

全钒液流电池用离子交换膜的研究进展

由于全钒氧化还原液流电池(VRB)具有大规模储能和稳定发电的特点,引起了国内外的广泛关注。离子交换膜(IEM)是VRB中的重要组件,它不仅要隔开阴阳极电解液,而且还要传输离子以构成闭合回路。对全钒液流电池用离子交换膜做了系统介绍。从离子交换膜的基本功能出发,详细阐述了近年来国内外全钒液流电池用离子交换膜的研究进展及目前面临的问题,并展望了全钒液流电池大规模商业化应用的前景。     

五氧化二钒电解制备全钒液流电池V3+电解液

电解液的质量直接决定了全钒液流电池的储电能力。为了降低全钒液流电池的生产成本,在国内首次采用流动型电解槽电解还原法,研究了采用相对廉价的五氧化二钒(V2O5)代替价格昂贵的硫酸氧钒(VOSO4)为原料制备全钒液流电池电解液的制备技术;研究了阳极电极材料、电解电流密度等对制备电解液的影响因素;并通过循环伏安、交流阻抗和充放电测试分析和比较由两种原料制备的电解液的电化学性能。实验结果表明:以Ru Ir/Ti为阳极,多孔铅板为阴极,3 mol·L-1 H2SO4为阳极电解液,1.5 mol·L-1 V2O5+3 mol·L-1 H2SO4粉末混合溶液为阴极电解液,40 m A·cm-2恒流电解得到的电解液不但具有良好的电化学活性和可逆性,且电流效率高和电能损耗低,完全可以满足全钒液流电池的工作需求。     

全钒液流电池电解液流场结构优化设计

全钒液流电池电解液流场结构合理可使电流密度、钒电解液分布均匀,降低极化,提高电池性能。设计3种不同的电解液流场,研究流场结构对电池极化、充放电电流电压、功率密度和能量效率的影响。结果表明蛇形流场结构简单且易于加工,可使钒电解液均匀分布,增强电解液对流传质能力,能较充分利用钒电解液储能容量,电池的输出功率密度最高可达31.6 mW/cm2,与传统平行流场相比,电池电流效率提高13.9%,电压效率提高6.3%,能量效率提高14.8%,放电容量提高了35.3%。     

磁电复合场下正极钒离子的跨膜传质

探究了全钒液流电池在外加磁场、电场、磁电复合场下正极电解液中的钒离子在Nafion117膜上的跨膜传质过程,以及在磁电复合场下硫酸浓度和电解液添加剂对传质过程的影响。根据达西定律拟合得出相应的扩散传质系数。实验结果表明正向电场会加剧钒离子渗透,且当电场强度达到30 V·m^-1时渗透情况严重可达到无电场时的2.53倍。非匀强磁场的加入可明显降低钒离子的跨膜渗透性。且当外加磁场和电场复合场时,磁场对降低钒离子跨膜渗透的作用更加显著。实验还得出在不同的外加复合场中较高浓度硫酸有利于降低钒离子的跨膜渗透。此外丙三醇、木质素磺酸钠正极电解液添加剂的加入也降低了VO₂⁺的跨膜渗透性。     

V(Ⅲ)-V(Ⅳ)电解液的化学合成及性能

钒电池是一种高效储能装置,钒电池电解液直接影响电池性能。本文以V2O3、V2O5和H2SO4为原料,化学合成了用于钒电池的V(Ⅲ)-V(Ⅳ)电解液,研究了无水乙醇与焦磷酸钠作为添加剂对电解液稳定性和电化学活性的影响。实验结果表明,当V2O3/V2O5质量比为7.2∶1时,可以得到V(Ⅲ)/V(Ⅳ)离子浓度比为1.0的电解液;添加剂的加入能提高电解液的稳定性和电化学反应活性。     

Study on the chemical synthesis and the performance of V(Ⅲ)-V(Ⅳ) electrolyte

钒电池是一种高效储能装置,钒电池电解液直接影响电池性能。本文以V2O3、V2O5和H2SO4为原料,化学合成了用于钒电池的V(Ⅲ)-V(Ⅳ)电解液,研究了无水乙醇与焦磷酸钠作为添加剂对电解液稳定性和电化学活性的影响。实验结果表明,当V2O3/V2O5质量比为7.2∶1时,可以得到V(Ⅲ)/V(Ⅳ)离子浓度比为1.0的电解液;添加剂的加入能提高电解液的稳定性和电化学反应活性。     

A study of tiron in aqueous solutions for redox flow battery application

In this study, the electrochemical behavior of tiron in aqueous solutions and the influence of pH were investigated. A change of pH mainly produces the following results. In acidic solutions of pH below 4, the electrode reaction of tiron exhibits a simple process at a relatively high potential with a favorable quasi-reversibility. The tiron redox reaction exhibits fast electrode kinetics and a diffusion-controlled process. In solutions of pH above 4, the electrode reaction of tiron tends to be complicated. Thus, acidic aqueous solutions of pH below 4 are favorable for the tiron as active species of a redox flow battery (RFB). Constant-current electrolysis shows that a part of capacity is irreversible and the structure of tiron is changed for the first electrolysis, which may result from an ECE process for the tiron electro-oxidation. Thus, the tiron needs an activation process for the application of a RFB. Average coulombic and energy efficiencies of the tiron/Pb battery are 93 and 82%, respectively, showing that self-discharge is small during the short-term cycling. The preliminary exploration shows that the tiron is electrochemically promising for redox flow battery application.     

十四醇软包锂电池散热特性实验分析

在空气自然对流状况下,研究了有机醇相变材料（十四醇）对软包方形锂电池放电过程的散热特性;同时建立锂电池散热系统物理模型,模拟相变体系中电池放电过程的温度变化,分析不同放电倍率对电池最高温度的影响。实验结果表明,环境温度为30℃时,在0.6C、0.8C和1.0C放电倍率下,锂电池温度分别下降了1.21℃、8.89℃和17.45℃;数值计算得出,环境温度为30℃时,锂电池在0.8C和1.0C放电倍率条件下,电池温度45℃以上的时长占比分别下降55%和58%;环境温度为35℃时,在1.0C放电倍率条件下,锂电池温度降低至65.14℃,超45℃时长占比为33%。相变材料只在其相变区间内起散热控温作用,数值模拟获得的电池温度变化与实验结果最大误差不超过2℃,研究结果对电池放电过程热管理技术应用有一定的参考意义。     

暂态边界电压法在线测试全钒液流电池阻抗

国内首次采用暂态边界电压法在线研究了全钒液流电池（VRB）的特性,建立了由电压源、电阻以及一个电阻与电容并联的3部分串联而成的等效电路模型;研究了电流密度和荷电状态（SOC）对等效电路元件的影响。实验结果表明,极化阻抗随电流密度的增加有轻微下降,在充电初期和放电末期达到最大值。与极化阻抗相比,充、放电过程中的欧姆阻抗最大,是导致电压损失的主要因素,分别为1.905Ω?cm2和 2.139 Ω?cm2,暂态边界电压法是一种简单且有效的表征全钒液流电池性能的新方法。     

基于框架设计的液流电池流场优化模拟研究

液流电池通常采用对角平推流流场,会形成电解液滞留区,造成电池局部浓差极化大,影响综合性能。鉴于此,提出了一种基于框架设计的流场优化方法,通过设计电极框架,可以得到“蛇形流道”和“平行流道”两类流场。以全钒液流电池为例,通过数学建模,研究了不同流场结构和参数对于多孔电极内电解液流动特性、电化学反应和温度变化特性的影响规律。计算结果与实验结果一致性良好,结果表明：电解液在“平行流场”内的流动均匀性比在“蛇形流场”内好,且不存在滞留区,同时在“平行流场”内浓差极化也较“蛇形流场”低;此外,对于同样的电极面积,在电极内部的“平行流道”越多,电解液的流速分布越均匀,反应特性越好。     

钒流电池负极电解液改性研究

全钒离子氧化还原液流电池(VRB)作为二次储能电池,具有循环寿命长、容量大、自放电小、污染小以及结构简单等优点,受到国内外研究者的广泛关注。但是VRB电解液仍然存在钒离子浓度过低、稳定性较差以及电化学反应速率低等问题,使VRB的应用受到限制。通过循环伏安法考察了添加剂尿素、草酸和酒石酸对负极电解液电化学反应速率的影响,发现合适浓度的尿素、草酸和酒石酸都可以部分增大其反应速率,提高电解液的可逆性,尤其以w(草酸)=0.5%效果最佳。对添加w(草酸)=0.5%的负极液进行了交流阻抗分析,发现草酸主要是降低了电化学反应电阻。最后通过电位滴定法研究了添加剂对负极液稳定性的影响,得出草酸和酒石酸都可以提高电解液稳定性的结论。     

化工系统消纳可再生能源的电-氢协调储能系统优化设计

针对可再生能源发电间歇性和波动性与化工过程系统氢气需求波动性协调匹配的问题,本文以电-氢储能系统总费用最小为目标,建立了可再生能源发电与化工生产中加氢系统耦合的电-氢协调储能系统优化设计模型,以确定电-氢协调储能系统的最优容量配置和功率调度方案。采用典型案例研究了可再生能源渗透率和电-氢储能系统构成对电-氢储能优化设计和运行特性的影响。研究表明:当化工系统的氢气需求全部由可再生能源发电制氢提供时,在系统中同时采用电池和氢气储罐储能可有效地降低系统的总费用;在该系统中,电池可用于平抑短期内发电侧和负荷侧的波动,氢气储罐可平衡发电侧和负荷侧长期的不匹配;随着可再生能源渗透率的增加,系统的总费用显著增大;为了维持外购氢气流率的稳定,系统中需要增加电解槽和储能系统的容量以解决发电侧和负荷侧的波动和不匹配问题。     

新型蜂巢式液冷动力电池模块传热特性研究

为了维持动力电池的性能、延长其使用寿命,应使电池模块工作过程中的温度和温差维持在适宜的范围之内。为此,提出一种新型蜂巢式液冷动力电池模块,该结构内部设有进/出口导流板且电池呈蜂巢式分布,冷却液体与电池呈360°间接接触,极大强化了换热效果。在单体电池热特性数值模拟与试验验证的基础上,通过计算流体力学平台建立新型蜂巢式液冷电池模块模型,研究了电池模块的热行为,分析了冷却液流量、冷却液温度对电池模块传热性能的影响。结果表明：（1）增加冷却液流量可显著降低电池模块最高温度,改善温度均匀性,当冷却液流量增加到1.5 L/min之后,电池模块最高温度及最大温差趋于稳定;（2）冷却液温度的降低可显著降低电池模块中最高温度,但在一定程度上恶化了模块中的温度均匀性;（3）冷却液流量和温度对电池模块的加热特性影响显著。因此,采用液冷方式是必要的。     

锑离子添加剂对低共熔溶剂(DES)电解液液流电池的性能改善研究

非水系氧化还原液流电池（NARFB）的广泛应用受制于其较低的性能。在电解液中加入一些金属离子添加剂是一种可能的解决方案。实验研究了Sb³⁺离子对低共熔溶剂（DES）电解液液流电池电化学性能的影响。结果表明,添加Sb³⁺离子可以强化V（Ⅲ）/V（Ⅱ）氧化还原离子对的电化学反应动力学（最高可达22.6％）过程,钒离子在DES中的扩散系数提高了63.3％,并且电荷转移电阻降低了11.9％。场发射扫描电子显微镜表明,Sb³⁺离子电沉积在石墨毡的表面,对电化学反应起催化作用,从而改善了电化学性能。考虑增强的动力学和降低的活性比表面积之间的平衡,确定了Sb³⁺的最佳浓度为15 mmol·L^-1。此外,当使用含有Sb³⁺的负极电解液液流电池时,液流电池的功率密度提高了31.2%,从含原始电解质的3.08 mW·cm^-2到含15 mmol·L^-1 Sb³⁺离子的4.04 mW·cm^-2。这些结果为改善NARFB的电池性能提供了一个便捷而有前景的方法。