第一作者：王金平

通讯作者：王金平

通讯单位：南京工程学院能源与动力工程学院

成果简介

聚焦全钒液流电池在对称流量运行中电解液失衡与性能衰减的问题，创新性地通过实验研究了非对称电解质流量分布的影响。研究通过固定一侧流量、调节另一侧，构建了可控的流量与压力梯度。核心发现表明，适度的正极增强型非对称流量配置（160/112 mL⋅min⁻¹）能显著优化传质并抑制水迁移，从而获得最佳综合性能：库伦效率达97.64%，能量效率达77.02%。该配置在80次循环后容量保持率高达96.10%，远超对称流量的85.12%。实验数据证实该策略有效缓解了电解液失衡，但过度不对称（160/80）会导致效益下降。研究表明，经过优化的非对称流量策略能有效提升电池性能与循环稳定性，为抑制电池衰减提供了新颖且实用的运行方案，对液流电池工程应用具有明确指导意义。

相关成果以“Experimental study on vanadium redox flow battery performance under asymmetric electrolyte flow configuration”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。

感谢南京工程学院王金平老师供稿！

本文所用

一体化液流单电池测试系统（YTH-1）

由武汉之升新能源有限公司提供

研究背景

在推动“双碳”目标实现的背景下，光伏、风电等可再生能源的快速发展对先进储能技术提出了更高要求。全钒液流电池因其安全性高、寿命长、功率与能量可独立设计等特点，被认为是大规模储能的重要选择之一。然而，其较低的能量密度和较高的系统成本限制了进一步商业化。近年来，非对称设计策略（如电极压缩、膜材料改性、催化剂负载等）成为提升电池性能的重要研究方向，尤其在优化反应动力学与抑制容量衰减方面展现出潜力。

本研究聚焦于全钒液流电池运行中的非对称电解液流量调控，系统考察了正、负极入口流量差异化对电池性能的影响机制。实验表明，适度非对称流量可有效缓解电解液失衡与水迁移问题，显著提升电池的能量效率与循环稳定性。通过监测电解质体积与质量变化，并结合动态内阻、极化特性等电化学分析，明确了非对称流场对传质过程与反应分布的关键作用。此外，研究还证实该策略不会引起明显的温升变化，且附加泵耗极低，具备良好的工程适用性。本工作为全钒液流电池的流场设计与运行优化提供了重要的实验依据，推动了非对称策略从材料设计向系统操作层面的深入发展。

核心内容

二、非对称流动的作用机理

在全钒液流电池储能系统中，正极VO²⁺/VO₂⁺电对的反应动力学通常慢于负极V²⁺/V³⁺电对，这种固有的动力学不对称性是导致电池性能受限的内在原因之一。应用非对称电解液流动的基本原理在于，通过调节两侧的流量，有目的地补偿这种动力学差异。

适度提高正极侧流量可以带来多重益处，首先是增强正极传质，提高反应物（VO²⁺）与产物（VO₂⁺）的传输速率，缓解因正极反应较慢而更容易产生的浓差极化。其次，适度提高正极侧流量会产生可控跨膜压力梯度，非对称流动会在离子交换膜两侧形成压差，这个压力梯度可以有效对抗由渗透压和电渗曳力驱动的水分从负极向正极的净迁移（水分迁移），从而缓解由此导致的电解液体积失衡和浓度变化。

三、实验方法与设置

本研究采用活性面积为25 cm²的单电池VRFB测试系统（型号：YTH-1，由武汉之升新能源有限公司生产）。如图1所示，核心组件包括：Nafion N117质子交换膜、蛇形流场、经过预处理的石墨毡电极以及铜质集流体。正负极电解液为1.7 mol·L⁻¹的钒离子硫酸溶液。

图1 .钒液流电池( VRFB )测试系统的实验搭建。

为探究非对称流动的影响，研究设定了四种流量配置模式（如表1所示），总流量保持恒定（320 mL·min⁻¹），通过调整正负极分配比例实现对称与非对称控制：

表1:不同流动模式的流量对比，对称组正负极电解液流量均为160 mL min^-1，非对称组的正负极电解液流量对比为7：10、10：7和2：1

对称模式：正极160 / 负极160 mL·min⁻¹

非对称模式 (N>P)：正极112 / 负极160 mL·min⁻¹ （负极流量增强）

非对称模式 (P>N1)：正极160 / 负极112 mL·min⁻¹ （正极流量中度增强）

非对称模式 (P>N2)：正极160 / 负极80 mL·min⁻¹ （正极流量过度增强，负极大为降低）

如图2所有实验在恒电流密度（200 mA·cm⁻²）下进行充放电循环测试，电压窗口为0.80-1.60 V。监测和评估的指标包括：充放电曲线、极化曲线、动态直流内阻、库伦效率（CE）、电压效率（VE）、能量效率（EE）、容量保持率、放电中值电压，以及循环后电解质的体积和质量变化。此外，还监测了电堆出口温度与泵功耗，以排除热效应和附加能耗的影响。

四、结果与讨论

1. 充放电与极化特性

图2 .对比分析不同电解液流动配置下的极化行为和充放电特性：( a )单周期运行过程中的充放电曲线；( b )对应的极化曲线

如图2所示充放电曲线和极化曲线清晰展示了不同流动模式的影响。P>N1模式表现出最佳的充放电行为，具有最高的放电电压平台和最长的放电时间，表明其电化学反应最充分、极化最小。极化曲线进一步证实，P>N1模式在整个电流密度范围内提供了最高的电池电压和功率密度。相比之下，对称模式性能次之，而P>N2模式（强非对称）性能最差，放电电压低、持续时间短。这表明适度的正极流量增强（P>N1）优化了传质，但过度的不平衡（P>N2）导致负极侧流量严重不足，产生了新的传质限制，反而恶化了整体性能。

2. 内阻变化分析

图3 .不同流量控制方式下的内阻分析：( a )充电阶段内阻变化，( b )放电阶段内阻变化

如图3所示动态直流内阻是反映电池内部传输和反应状态的关键参数。研究发现在充电过程中，P>N1模式的内阻最低（~29.99 mΩ）且最稳定。对称模式和N>P模式内阻较高且波动较大。P>N2模式的内阻最高（~48.35 mΩ），表明严重的不平衡导致了不利的液压梯度与电解液分布不均。放电过程趋势相同，P>N1模式内阻最低最稳定（~25.42 mΩ），P>N2模式最高（~39.72 mΩ）。

图4 .不同电解液流量配置下正极、负极和环境的温度演化：( a )对称流量160 ~ 160 m L⋅min^–1，( b )非对称流量160 ~ 112 m L⋅min^–1，( c )非对称流量160 ~ 80 m L⋅min^–1

如图4所示实验期间电解液温度波动极小（±1.5°C），证实了内阻变化主要源于流动引起的传质改变，而非热效应。

3. 电池效率分析

图5 .对称、非对称( N > P)和非对称( P > N)下的库伦效率( a , b) 、能量效率( c、d)和电压效率( e , f)，包括它们随循环和平均值的演变。

如图5所示，库伦效率：所有模式CE均较高（>97%），但P>N1模式平均CE最高且最稳定，可以达到（97.64%），表明其能最有效地抑制副反应（如析氢和钒离子穿透）。电压效率与能量效率：P>N1模式同样表现出绝对优势，平均VE和EE分别达到78.88%和77.02%，显著高于对称模式（VE 76.74%， EE 74.72%）和N>P模式。这归因于其降低了欧姆极化和浓差极化，特别是改善了正极的缓慢反应动力学。极端情况 (P>N2)下当流量失衡过大时，所有效率指标（CE, VE, EE）均急剧下降，证明“过犹不及”，过度的非对称会引发严重的浓差极化和电解液分布不均。

4.电压分析

图6 .不同电解液流动模式下VRFB放电中值电压随循环的演化规律。

如图6所示，放电中值电压中P>N1模式维持在最高且最稳定的约1.22 V水平，再次印证了其低极化特性。P>N2模式则暴跌至约1.08 V。

5. 容量保持与循环性能

图7 .不同流动模式下VRFB的容量保持率和循环性能的比较：( a )容量保持率与循环次数的关系；( b )选定循环(第1、40、80年代)时的充放电容量和循环时间。

如图7所示，80次循环测试表明流动模式对容量衰减有决定性影响。在对称模式下，容量保持率最低，仅为85.12%，体现了传统运行方式下电解液失衡导致的持续容量损失。非对称模式则显著改善了循环稳定性。N>P模式保持率为91.00%，而 P>N1模式表现最佳，容量保持率高达96.10%。P>N2模式下容量保持率急剧下降至63.24%，说明强非对称流在长期运行中造成了破坏性影响。

6. 电解液平衡与水分迁移分析

图8 .在不同的流动模式下，经过80次充放电循环后电解液体积和质量发生变化。( a )体积变化；( b )电解液质量变化。

如图8所示，80次循环后对电解液体積和质量的测量提供了直观证据，对称模式下出现严重的电解液失衡，正极侧体积和质量显著增加（体积+5mL，质量+13.5g），负极侧相应减少，证实了水分从负向正的单向净迁移。非对称模式 (P>N1 和 N>P)则有效抑制了这种失衡。尤其是P>N1模式，正负极电解液体积和质量分布最为均匀，表明其产生的逆向压力梯度成功抵消了水分迁移的驱动力。P>N2模式下失衡情况再次加剧，性能最差。

7. 泵功耗与实用性评估

对不同流场配置下蠕动泵功耗的测量显示，非对称流引入的额外泵耗极小（变化在0.1W量级），对系统整体能量效率的影响可忽略不计。这从工程角度证明了非对称流动策略的实用性和经济可行性。

结论展望

综上所述，本研究系统探究了非对称电解液流量配置对全钒液流电池电化学性能与运行行为的影响，证实适度提升正极侧流量（如160:112）可有效优化传质、抑制水迁移与电解液失衡，从而显著提升电池效率与循环稳定性，80次循环内容量保持率可达96.10%。然而，过度的流量不对称（如160:80）会导致极化加剧与性能下降，表明存在最优调控区间。

这些发现为全钒液流电池的流场设计与运行策略优化提供了重要依据，表明非对称流量调控是一种具有工程可行性的有效手段。未来工作将着重开展长期循环实验，验证该策略的耐久性，并进一步结合多物理场模拟，揭示非对称流动、传质过程与电化学反应之间的动态耦合机制，为构建高性能、长寿命的液流电池系统提供理论指导与技术支撑。

文献信息

  Experimental study on vanadium redox flow battery performance under asymmetric electrolyte flow configuration,Journal of Energy Storage,Jinping Wang, Jiale Chen, Guannan Zhou, Jin Yan,

  https://doi.org/10.1016/j.est.2025.119862.