钒液流电池（VRFB）是实现大规模、长期能量储存的重要技术。在其各个组成部分中，流场结构是影响电池性能的关键因素之一。本研究受到自然界叶脉优秀养分传输过程的启发，提出了一种仿生叶脉的流场设计，并创新性地在主流道中加入了导流块，旨在利用导流效应显著增强电解液的分布均匀性和传质能力。采用仿真与实验结合的方法验证该模型的有效性，并通过长时间充放电循环实验验证了电池的性能。分析结果表明，在相同条件下，本研究的能量效率相比蛇形流场提高了1.983%，比基础设计提高1.11%。该设计机制有效改善了VRFB中活性物质的传输特性，为未来流场结构的设计提供了参考。相关研究成果以“Design and optimization of a novel flow field structureto improve the comprehensive performance of vanadium redox flow batteries”为题表在“Journal of PowerSources (IF=8.1)”感谢桂林电子科技大学黄泽波博士校稿！
本文所用
一体化液流单电池测试系统（YTH-1/LSB-1）
由武汉之升新能源有限公司提供
在全球实现“双碳”目标和调整能源结构的努力下，许多国家的可再生能源发电，特别是风能和太阳能的新增装机容量正在快速增长。然而，这些可再生能源的固有随机性和间歇性可能会对电力输出质量产生负面影响。为应对这一挑战，能源储存技术变得至关重要，其中钒液流电池是最成熟的解决方案之一。然而，其也存在一些缺点和挑战，例如不均匀的流动可能导致电解液的局部浓度剧烈变化，流动不稳定性导致局部压力波动和不均匀的电解液分布等，都对电池性能和使用寿命产生负面影响。为应对这些挑战，许多研究者致力于改善流场性能并尽量减少能量损失。在众多策略中，优化流场设计最为突出，并且效果最为显著。Guo等人开发了一种分叉式交叉流场，成功地将电解液引导到分支通道中，确保了电解液的均匀分布；Hao等人在碳毡电极上优化了流场设计，显著降低了浓度极化，提高了放电容量和功率密度；Pan等人优化了蛇形流场的通道深度梯度，发现25%的梯度可最大化基于泵浦的电压效率；Lu等人引入了一种创新的旋转蛇形流场，在不同的SoC下提供了更高的放电电压，并减少了过电位；Sun等人通过三种不同的仿真方法探讨了下肋液压阻力的调整，以提高分布均匀性；Wei等人开发了一种增强对流的流场结构，以改善水基红氧流电池中的下肋对流；Chai等人采用双螺旋流道设计，评估了不同流动模式对VRFB性能的影响；Gundlapalli等人报告了方向分裂蛇形流场，在与传统设计比较下，能量效率提高了12%，循环效率提高了3%；Yang等人提出了一种新型仿生流场，在较高流速下降低了电压下降，同时保持了高电压效率；Akuzum等人研究了流场深度变化，发现坡道设计使得所需泵浦压力降低了40%。本研究提出了仿生叶脉流场（LFF），其灵感来源于叶片的脉络结构。该设计通过将一个主流道（类似叶片的中央脉络）置于进出口之间，且在两侧按固定间隔（0.5毫米）延伸出分支流道。紧接着，本文创新性地在主流道中引入了导流块，形成导流结构仿生流场（OLFF），这一设计能够增强电解液中活性物质的传输能力，促进电解液的更均匀分布。本研究通过仿真验证了OLFF的有效性，结果表明其在平均反应物浓度、系统效率和基于输出功率效率等方面均有显著改善。随后，通过实验验证，将OLFF与LFF和SFF进行了比较。尽管由于导流块的引入，内部阻力略有增加，但在相同条件下，OLFF的能量效率比SFF高出1.983%，比LFF高出1.11%。这一有效设计机制不仅增强了VRFB的工程应用潜力，还为大规模能源储存提供了参考价值。 图1. (a) VRFB 单电池结构图，(b) 仿生流场结构示意图，(c) 电化学反应原理图、(d) 电化学反应方程式。物质传递是自然界中常见的现象，尤其是植物的养分运输方式。如图 2(a)所示，绿色植物能够长期茁壮成长，主要得益于其高效的养分运输网络。在植物中，叶脉一般起着传导和支撑的作用，叶片上呈现出各种规则的叶脉分布。养分从叶片底部进入，流向树干，再通过无数细小的枝条分布到叶片边缘。这一自然现象凸显了枝条在养分运输中的关键作用。因此，这项工作提出了一种创新的仿生叶脉流场，它能显著增强多孔电极内活性物种的传输。此外，如图 2(b) 所示，通过在每个分支入口处引入直径为 0.5 毫米的圆形导流块，该结构得到了改进。这一改进利用了导流效应，迫使电解质流动面积变大，从而促进电解质分布更加均匀。图 2(c) 清楚地显示了输送到分支的活性物质明显增加。 图2. (a)仿生特征提取，（b）LFF 和 OLFF 设计，（c）LFF 和 OLFF 分支区域的活性物质数量。 当施加40 mA cm⁻²的电流密度和3 mL s⁻¹的流量时，在整个充放电周期内，模型的平均误差低于1%，最大误差为1.2%。图3(b)显示了本文设计的两种流场的充放电电压，充放电周期结束时，OLFF设计相比LFF和SFF具有最低的充电电压和最高的放电电压，表明该流场具有优越的电压效率。为了方便分析，图3(c)将多孔电极沿XY平面划分为三个相等的部分，分别显示了在1 mL s⁻¹流速下OLFF和LFF多孔电极在1L/3和2L/3截面处的情况。由于存在圆形导流块，电解液进入分支通道，促进了活性物质的均匀分布，尤其是在流场出口区域。而在LFF中，主通道投影区域的活性物质浓度高于周围区域，导致局部浓度梯度问题，这在OLFF中得到了避免，OLFF中的活性物质分布更加均匀。 图3.（a）电池电压的模拟数据与实验数据；（b）三种流场的充放电电压；（c）多孔电极XY平面上的多切割面设计；（d1-d4）多孔电极的活性物质浓度分布。图4(a) 和 (b) 展示了 OLFF 和 LFF 在流场 YZ 平面上汇合处的速度分布，其中 OLFF 相较于 LFF 的速度增长更为显著。这归因于 OLFF 设计在主流道中加入圆形导流块，并利用导流效应增强电解液的输运能力。这些改进在不同流速下均表现出明显优势，有效降低了浓度极化，提高了电池整体效率。图4(c)展示了当入口流速为 2 mL s⁻¹ 时，OLFF 和 LFF 在 XY 平面上、位于多孔电极 1/3 处的横截面速度分布。数据表明，在该工况下，OLFF 设计显著改善了速度分布，促进了电解液在电池内部的均匀输运。当入口流速为 2 mL s⁻¹ 时，多孔电极和流场内的压力分布如图4(d) 所示。对于两种流场设计而言，压力在入口处最高，并沿出口方向逐渐降低。由于 OLFF 设计引入导流块，增加了电解液流动阻力并延长了流动路径，因此压力较高，这间接导致各分支汇合处的流速加快，并与前述的速度分布趋势相一致，并有效优化了活性物质的浓度分布。 图4. (a) OLFF 在 YZ 平面汇聚的切面;(b) LFF 在 YZ 平面汇聚的切面；(c) OLFF 和 LFF 在 XY 平面 1/3 处的速度分布；(d) OLFF 和 LFF 在多孔电极中的压力分布。图 5(a) 显示了不同流场在出口与入口之间的压力差。由于 SFF 设计的电解液流动路径最长，其压降最大，其次是 OLFF，LFF 的压降最小。随着流速的增加，这一差距逐渐扩大。OLFF 由于导流块的存在，迫使电解液进入分支通道，使流动路径变长，因此需要较高的泵送功率，但该功率消耗仍显著低于 SFF，如图5(b) 所示。此外，图5(e) 展示了电池的系统效率：尽管均呈下降趋势，但 OLFF 的效率衰减速率远低于 LFF 和 SFF。这表明其设计的创新导流结构能够有效降低电极上的浓度极化，即使系统效率随运行时间下降，OLFF 仍然比 LFF 和 SFF 具有更高的效率。图5(c) 的极化曲线表明，在相同电流密度下，OLFF 设计始终产生最高的放电电压，其极化损失最小，极化效应最不明显，进一步证明 OLFF 设计能够增强物质传输能力，有效降低电压损失，提升 VRFB 的整体性能。图5(d) 对比了三种流场在不同电流密度、相同 SoC 条件下的V2+的平均浓度。结果直观地表明，在不同流速下，采用 OLFF 结构要优于 LFF 和 SFF，证实了上述结论。这一改进得益于 OLFF 设计中的导流块，它促进了电解液的均匀分布，并增强了传质能力，最终提高了基于功率的效率，如图5(f) 所示，整体趋势为 OLFF > LFF > SFF。 图5. OLFF、LFF 和 SFF 的仿真结果：（a）压强差，（b）泵功率，（c）极化曲线，（d）活性物质的平均浓度，（e）系统效率，（f）基于输出功率效率。实验验证可对多项电池性能指标进行更准确的评估。如图6(a) 所示，在 50 小时的充放电循环后，OLFF、LFF 和 SFF 三组电池的库仑效率均保持在 97% 左右。如图6(b) 所示，在运行过程中， OLFF 的内部电阻比 SFF 高出 39.965 mΩ，比 LFF 高出 30.742 mΩ。这是由于 OLFF 设计在主流道中引入了导流块，增加了活性物质传输阻力，正因为次其电解液分布更加均匀，使电池性能更加稳定。如图 6(c) 所示，在三种不同流速和固定电流密度的条件下，OLFF 的平均能量效率比 SFF 高 1.983%，比 LFF 高 1.11%。此外，如图 6(d) 所示，不同循环之间能量效率的波动较小，尽管整体上存在轻微的下降趋势，但 OLFF 始终优于其他两种设计。 图6. OLFF、LFF和 SFF 的实验结果：（a）内阻，（b）库仑效率和容量保持率，（c）平均能量效率，（d）单个循环的能量效率。本研究借鉴了自然界中养分传输中的机制，以优化钒液流电池流场设计并提升其性能。提出了两种新型流场结构：仿生叶脉流场（LFF）和带导流块的仿生叶脉流场（OLFF），其目标均是改善电解液分布并提高整体系统效率。仿真结果表明，OLFF 设计能够有效引导电解液流动，显著提升电解液分布的均匀性，从而提高电池的系统效率。实验结果进一步验证了该结论，尽管流向导流块的引入增加了传质阻力，但 OLFF 仍然表现出卓越的能量效率。其平均能量效率比SFF高 1.983%，比 LFF 高 1.11%。综上所述，本研究强调了创新流场设计在提升 VRFB 实用性和效率方面的重要性，为其大规模储能应用提供了更可靠的参考。Zebo Huang, Yilin Liu, Xing
Xie, et al. Design and
optimization of a novel flow field structure to improve the comprehensive
performance of vanadium redox flow batteries, Journal of Power Sources,
2025, 640: 236736.
