第一作者：祝学炜
通讯作者：蒋浩然
通讯单位：天津大学
DOI：10.1016/j.apenergy.2026.128811
感谢天津大学蒋浩然团队（第二作者：蔡宇豪博士）校稿！
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
1.模型验证
图1: 125 kW全钒氧化还原液流电池系统仿真结果与实验结果的对比。(a)仿真与实验电压曲线；(b)仿真与实验温度曲线；(c)仿真电压与实验电压之间的相对误差；(d)仿真温度与实验温度之间的相对误差。
研究采用125 kW/500 kWh钒氧化还原液流电池储能系统的实验数据进行验证，从仿真结果与实验结果的对比可以看出，仿真得到的电压曲线与温度曲线与实验数据高度吻合，仿真值与实验值之间的最大误差小于5%，表明所提出的模型能够同时捕捉系统的电化学响应与动态热行为，能够准确反映该储能系统的运行特性。
2.电解液温度对能量损失的影响
图2: 125 kW全钒氧化还原液流电池系统运行电流和电解液总流量分别为300 A和34 m³ h⁻¹时，在不同电解液温度（10、15、20、25、30、35和40 ℃）下的运行性能：(a)充放电电压曲线；(b)平均充放电电压；(c)平均极化电压；(d)平均充放电电流；(e)库仑效率与电压效率对比；(f)能量效率与系统效率对比。
在电流固定为300 A、总流速为34 m³ h⁻¹条件下，VRFBs在不同电解液温度下的充放电电压曲线表明，各循环的持续时间并不一致。具体而言，随着电解液温度升高，充放电时间逐渐延长，表明较高温度有利于提高电解液容量利用率。不同温度下的电压分析结果显示，随着电解液温度升高，平均充电电压下降，而平均放电电压上升。这是因为温度升高能够加快电化学反应动力学并降低欧姆电阻，从而减小活化过电势和欧姆过电势。在充放电截止电压保持不变的情况下，极化电压越大，电池在截止电压范围内所能利用的开路电压区间越小，对应的有效SOC范围也越窄。因此，VRFBs循环时间随温度变化，主要是由极化电压随温度发生变化所致。
电解液温度对分流电流的分析结果表明，随着电解液温度升高，平均充电电流上升、平均放电电流下降，说明高温会加剧分流电流。这是因为电解液电导率随温度升高而增大，使电池单元之间经由公共管路形成的分流通路更加明显。分流电流会使实际充放电电流偏离设定的运行电流，并造成额外的电荷损失。效率分析结果显示，随着电解液温度升高，VRFBs的电压效率由78.4%提高至90.1%，而库仑效率由97.9%下降至95.1%，表明高温条件下由极化造成的电压损失减小，但由分流电流和离子跨膜传输等因素造成的电荷损失增加。与此同时，能量效率和系统效率分别由76.7%提高至85.7%、由71.5%提高至82.6%。总体而言，在本研究考察的温度范围内，电压损失的降幅超过了电荷损失的增幅，因此VRFBs在较高温度下表现出更高的能量转换效率。
图3: 125 kW全钒氧化还原液流电池系统运行电流和电解液总流量分别为300 A和34 m³ h⁻¹时，在不同电解液温度（10、15、20、25、30、35和40 ℃）下的能量转换与损失特性：(a)能量转换与损失示意图；(b)充放电功率曲线；(c)平均充放电功率；(d)极化功率损失与电阻；(e)泵功率损失与电解液黏度；(f)分流电流功率损失与电解液电导率；(g)交叉副反应功率损失与离子扩散系数；(h)总功率损失；(i)各类能量损失的占比。
VRFBs中仅有部分能量能够在化学能与电能之间可逆转换，其余能量则因极化、交叉副反应、分流电流和泵功率等因素而不可逆地损失。不同电解液温度下VRFBs的充放电功率曲线及平均充放电功率研究发现，随着电解液温度升高，放电功率增加而充电功率降低，归因于充电电压的降低与放电电压的升高。不同电解液温度下VRFBs的物理化学参数及能量损失研究发现，随着电解液温度升高，能量损失的变化趋势与相应的物理化学参数变化趋势一致，表明能量损失的温度依赖性本质上是由物理化学性质的温度依赖性所驱动的。具体而言，随着电解液温度升高，由极化效应和泵送过程引起的功率损失均减小：前者源于欧姆电阻降低及反应动力学增强，后者则由电解液黏度降低所致。相比之下，分流电流损失和交叉副反应损失随温度升高而增加，前者是由于电解液电导率升高，后者则是由于钒离子的跨膜扩散加快，并由此引发更强的副反应。
此外，极化、泵耗功、分流电流和交叉副反应造成的总能量损失随电解液温度升高而整体下降，说明极化损失和泵功率损失的降幅超过了另外两类损失的增幅。从各类损失的占比来看，极化损失始终占据主导地位，但其占比由10 ℃时的66%下降至40 ℃时的43%。与此同时，第二大损失来源随温度升高发生变化：在10 ℃时，泵功率损失占比为19%；而在40 ℃时，交叉副反应损失占比增至26%，取代泵功率损失成为第二大损失来源。因此，低温运行时应重点降低极化损失和泵功率损失，而高温运行时则应重点控制极化损失和交叉副反应损失。当电解液温度由10 ℃升高至40 ℃时，极化损失和泵功率损失的占比分别下降23个和4个百分点，而交叉副反应损失和分流电流损失的占比分别上升19个和9个百分点，说明极化损失和交叉副反应损失对电解液温度变化更为敏感。
3.不同环境温度下的性能分析
本研究选取了中国五个城市（哈尔滨、乌鲁木齐、天津、武汉和海口），城市所处的纬度范围为北纬20°至45°。本研究采用的五个选定区域的每小时环境温度记录数据取自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）数据库，涵盖2020年至2024年的五年期间。基于上述温度及运行工况，对各地区开展月度仿真模拟：研究发现，随着年均环境温度从5.5°C升高至25.0°C，年均电解液温度从29°C上升至33.2°C，源于热管理与内部产热的共同作用。具体而言，在持续充放电过程中，热量逐渐累积，导致系统在初期出现快速升温现象；当温度达到热管理系统的工作范围时，系统便在控制范围内进行波动调节。不同地区主动冷却能力与被动散热能力的对比情况可以看出，在环境温度较高的海口地区，主动冷却功率增大，而被动散热能力减弱，说明环境温度越高，VRFBs对主动热管理的需求越大。
图4: 125 kW全钒氧化还原液流电池系统运行电流和电解液总流量分别为300 A和34 m³ h⁻¹时，在不同地区实际环境温度条件下的运行性能：(a)研究地区的地理分布；(b)环境温度与电解液温度；(c)主动冷却功率与被动散热功率对比；(d)平均充放电电压；(e)平均充放电电流；(f)能量效率、系统效率、电流偏差及极化电压对比。
不同区域中VRFBs的平均充放电电压与电流特性可以看出，随着研究区域环境温度的升高，平均充电电压从419V降至414.5V，而平均放电电压则从367.7V升至369.3V；此外，平均充电电流逐渐增大，而平均放电电流则逐渐减小。相应地，VRFBs的极化电压逐渐减小，而充放电电流相对于设定电流的偏差逐渐增大，表明高温区域的极化及其造成的电压损失较低，但由分流电流等因素引起的电荷损失较高。
此外还可以发现，在海口等高温区域，温差较小。系统与环境之间的温差可反映系统的被动散热能力；解释了为何随着环境温度升高，被动散热所占比例逐渐降低。在综合性能方面，海口地区的VRFBs具有最高的能量效率，说明其充放电过程中的能量转换效率最高；天津地区则具有最高的系统效率，表明在进一步考虑泵功率和热管理等辅助能耗后，其整体运行性能最优。
不同地区VRFBs的充放电功率结果表明，最小充电功率和最大放电功率均出现在海口，这主要与当地较高的环境温度有关。对不同能量损失来源的分析发现，热管理损失的地区差异明显大于其他类型的损失。具体而言，与哈尔滨相比，海口的热管理损失、交叉副反应损失及分流电流损失分别增加94.1%、9.11%和4.66%，而极化损失和泵功率损失分别降低11.9%和9.3%。在上述因素的共同作用下，不同地区的总能量损失随年平均环境温度升高呈现先下降0.8%、随后上升4.0%的趋势，并在天津达到最低值。在哈尔滨与海口之间，热管理损失的相对变化量和相对变化率均为最大，表明热管理是造成不同地区总能量损失变化趋势差异的主要因素。此外，海口地区热管理系统（TMS）的占空比显著高于哈尔滨，说明运行时间延长是高温地区热管理损失增加的主要原因。
图5: 不同地区实际环境温度条件下，系统运行电流和电解液总流量分别为300 A和34 m³ h⁻¹, 125 kW全钒氧化还原液流电池系统的功率与能量损失特性：(a)充放电功率对比；(b)不同类型功率损失的对比；(c)不同地区的总功率损失、极化损失与泵功率损失之和，以及分流电流损失、交叉副反应损失与热管理损失之和；(d)海口与哈尔滨之间不同类型功率损失的相对变化量（左）和相对变化率（右）；(e)热管理系统的占空比；(f)不同地区各类能量损失的占比分布，结果以年平均值表示；(g)不同地区的总功率损失；(h)极化损失与泵功率损失之和；(i)分流电流损失、交叉副反应损失与热管理损失之和。其中，(g)–(i)的结果均以季节平均值表示。
不同地区及季节工况下的性能结果显示，VRFBs的总能量损失均在夏季达到峰值。具体而言，交叉副反应损失、分流电流损失和热管理损失在夏季最高，而极化损失和泵功率损失最低。结合上述结果可知，热管理损失的显著增加是夏季总能量损失达到峰值的主要原因。此外，冬季的极化损失和泵功率损失高于其他季节，这主要是因为低温会增大电池内阻和电解液黏度。因此，为提升VRFBs的运行性能，高温条件下应采用余热回收和高效冷却等措施，降低热管理能耗；在极寒条件下，则可通过加强保温或对电解液进行预热来改善低温运行性能。
4.峰谷套利场景下的性能分析
分时电价结构分为五个时期（尖峰、峰、平、谷和深谷），并表现出显著的区域差异。具体而言，电价结构涵盖从0.37人民币/千瓦时的低谷电价到1.67人民币/千瓦时的尖峰电价。不同地区在充电与放电时段的电价水平以及两个时段之间的电价差研究发现，海口地区的最大电价差是哈尔滨地区观测到的最小电价差的2.5倍，表明不同地区之间的经济潜力存在显著差异。在实际的温度与电价条件下对不同地区的VRFBs的经济性能分析研究发现，海口地区的钒液流电池系统展现出最优的经济性能，特点在于放电收益最大化且充电成本最小化；具体而言，海口地区的经济回报约为哈尔滨地区观测到的最小值的6.3倍。结果与不同地区间电价差的变化趋势相一致，表明峰谷电价差对经济回报具有重要影响。然而，经济收益的差异（6.3倍）大于电价差的差异（2.5倍），归因于不同地区间受温度影响的能量损耗差异。
此外，研究发现与哈尔滨相比，海口VRFBs的能量损耗低了15.2%，系统效率高出5.3%，但其经济损失金额反而增加2.54%，归因于海口的总体平均电价比哈尔滨高出18.9%，单位能量损失对应的经济成本更高，抵消了其能量损失较低的优势。此外，不同地区经济收益与经济损失的百分比分布情况研究发现，海口地区的经济损失占比为22.5%，远低于哈尔滨地区的52.9%，表明在哈尔滨，超过半数的理想收益因能量损失而丧失，从而严重制约了其实际经济收益的提升。综合考虑地区性能量损失与电价因素可得出结论：在给定的总预期投资规模下，具有低能量损失且充放电电价差异较大的地区应优先扩大储能系统的装机容量，以扩大运营规模、提高整体经济收益；相反，能量损失大且平均电价较高的地区则应更加注重系统性能优化以提升长期经济效益。
图6: 不同地区峰谷套利场景下，系统运行电流和电解液总流量分别为300 A和34 m³ h⁻¹, 125 kW全钒氧化还原液流电池系统的运行策略与经济性分析：(a)分时电价结构；(b)4 h储能时长下的最优充放电策略；(c)不同地区的充放电电价差；(d)不同地区收入与支出的累计变化；(e)不同地区的经济收益；(f)不同地区的经济损失；(g)年度能量损失与经济损失对比；(h)不同地区实际经济收益与经济损失的占比分布；(i)不同能量损失来源所造成的经济损失明细。