液流電池傳質真空區域檢測與調控新方法獲揭示
近日，南方科技大學機械與能源工程系講席教授趙天壽、副教授魏磊團隊在液流電池強化傳質方向的最新成果發表于美國《國家科學院院刊》。研究團隊突破了以往流場設計的固有思路，發展針對液流電池傳質真空區域檢測與調控的新方法，使液流電池能量效率和額定工作電流密度等關鍵指標顯著提升。
當前，學者們發現了液流電池內部傳質真空的現象，但其形成機理尚未被系統性地分析和討論。
復雜的物質傳輸和耦合反應的過程使多孔電極表面活性物質分布難以各處均勻，以活性物質的對流通量作為評價指標時，傳質真空區域與液流電池流場結構設計、流道內的水力壓力、肋下流強度等具有強關聯性。在該研究中，科研人員在明晰液流電池內涉及傳質真空區域形成的多部件、多尺度、多物理場耦合過程后，提出了一個用于液流電池的檢測與調控的通用性設計方法。
以全釩液流電池為例，科研人員搭建了以釩離子作為活性物質的三維多物理場數值仿真模型和實驗平臺，驗證結果顯示，傳統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域，在迭代優化后，顯著提升了相鄰流道的壓力差。此外，相應區域的電解液流速和活性物質濃度顯著增加。
進一步，研究團隊對液流電池的電化學性能的多個關鍵指標進行對比和量化驗證。在放電過程中的負極側，多孔電極中的活性物質平均濃度和分布均勻性系數的提升是傳質真空區域得到調控的有力證據。同時，調控設計的流場會一定程度增加壓降從而犧牲一部分的泵功。此外，充放電曲線和能量密度曲線對比了調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205毫安每平方厘米。
以上結果從理論、仿真和實驗等方面充分驗證了所提出方法的有效性。除此之外，該設計方法具有通用性，可以被遷移和應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能量效率作為評價指標，引入調控設計能夠分別實現能量效率3.1%至4.6%和2.7%至4.3%的提升。
該研究揭示了流場設計與傳質真空區域形成原因及影響規律，從多部件、多尺度和多物理場的耦合機理出發，提出了檢測與調控的通用方法。科研人員將三維多物理場耦合數值仿真模型與實驗分析相結合，全面驗證調控設計對液流電池性能的提升作用，有極大潛力被應用于大面積液流電池堆設計中。
相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2305572120
研究示意圖 南科大供圖
