近日，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授赵天寿、副教授魏磊团队在液流电池强化传质方向的最新成果发表于美国《国家科学院院刊》。研究团队突破了以往流场设计的固有思路，发展针对液流电池传质真空区域检测与调控的新方法，使液流电池能量效率和额定工作电流密度等关键指标显著提升。
当前，学者们发现了液流电池内部传质真空的现象，但其形成机理尚未被系统性地分析和讨论。
复杂的物质传输和耦合反应的过程使多孔电极表面活性物质分布难以各处均匀，以活性物质的对流通量作为评价指标时，传质真空区域与液流电池流场结构设计、流道内的水力压力、肋下流强度等具有强关联性。在该研究中，科研人员在明晰液流电池内涉及传质真空区域形成的多部件、多尺度、多物理场耦合过程后，提出了一个用于液流电池的检测与调控的通用性设计方法。
以全钒液流电池为例，科研人员搭建了以钒离子作为活性物质的三维多物理场数值仿真模型和实验平台，验证结果显示，传统蛇形流场和文献报道的改进蛇形流场中均存在低压力差区域，在迭代优化后，显著提升了相邻流道的压力差。此外，相应区域的电解液流速和活性物质浓度显著增加。
进一步，研究团队对液流电池的电化学性能的多个关键指标进行对比和量化验证。在放电过程中的负极侧，多孔电极中的活性物质平均浓度和分布均匀性系数的提升是传质真空区域得到调控的有力证据。同时，调控设计的流场会一定程度增加压降从而牺牲一部分的泵功。此外，充放电曲线和能量密度曲线对比了调控前后的电池容量保持率和能量效率，在80%能量效率下的最大工作电流密度达到了205毫安每平方厘米。
以上结果从理论、仿真和实验等方面充分验证了所提出方法的有效性。除此之外，该设计方法具有通用性，可以被迁移和应用于其他流场图案中。在相同的电解液流量下，以能量效率和泵功损耗修正的系统能量效率作为评价指标，引入调控设计能够分别实现能量效率3.1%至4.6%和2.7%至4.3%的提升。
该研究揭示了流场设计与传质真空区域形成原因及影响规律，从多部件、多尺度和多物理场的耦合机理出发，提出了检测与调控的通用方法。科研人员将三维多物理场耦合数值仿真模型与实验分析相结合，全面验证调控设计对液流电池性能的提升作用，有极大潜力被应用于大面积液流电池堆设计中。
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2305572120
研究示意图 南科大供图
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