【2024年成果总结】南方科技大学赵天寿院士2024年液流电池重点研究成果总结
南方科技大学赵天寿院士 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 赵天寿，中国科学院院士、能源科学与工程热物理专家。1983年毕业于天津大学热物理工程系，1986年获该校硕士学位，1995年获得美国夏威夷大学博士学位。现任南方科技大学讲席教授、美国机械工程师学会(ASME) Fellow、英国皇家化学学会(RSC) Fellow、曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。入选Clarivate/Thomson Reuters 全球高被引科学家和最有影响力科学思想名录。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。 赵院士长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究。针对国家对可再生能源利用的重大需求，围绕燃料电池、液流电池、金属空气等流体电池储能装置中能量传递与转换关键科学问题，建立了电池储能系统中热质传递和电化学能量转换的耦合理论，提出了热、质、电子及离子协同传输方法，突破了高功率流体电池设计的关键技术。提出了以可充放电的液态能量载体储电的新方法，发明了充、放电装置彼此独立的新型储能系统，取得了系统效率与输出功率的同时跃升，将在解决风光电并网难题、实现可再生能源规模利用、解决空气污染与气候变化问题等方面将发挥重要作用。本文总结了赵天寿院士2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 一种具有高度变化流道的对流增强流场用于氧化还原液流电池 （点击论文名称查看全文赏析） 扁平流道蛇形流场可以有效提高氧化还原液流电池的性能。然而，在传统设计中，靠近流道端侧的相邻通道之间的边缘压差导致这些区域的对流较弱，增加了局部浓差极化。此外，在放大的氧化还原液流电池堆中，这一问题将加剧。在这项工作中，赵天寿院士团队提出了两种具有高度变化流道的改进蛇形流场，以调节流道下区域的电极压缩比，增强流道端侧附近电极中的对流。因此，活性物种分布更均匀，从而提高了电池性能。具体而言，在电流密度为200mA cm-2、流量为3.4 ml min-1 cm-2、有效面积为117 cm2的条件下，与传统扁平流道相比，具有斜坡流道的钒氧化还原液流电池的V2+均匀性、能量效率和系统效率分别提高了21%、2.7%和2.7%。 2. 理解和增强钒氧化还原液流电池的肋下对流流场结构 由相邻通道之间的压力差驱动的肋下对流流场结构对钒氧化还原液流电池的性能起着至关重要的作用。然而，关键几何特征与肋下对流之间的相关性尚不清楚，这限制了对流动相关输运机制的探索和高性能流场的发展。本文建立了一个集流体流动、质量传递和电化学反应为一体的三维模型，并以旋转蛇形流场为例，通过调整临界几何特征来增强肋下对流。结果表明，通道分数和通道深度的变化可以通过影响局部区域（即肋下对流强度）内活性物质输运速度来缓解浓差极化，而不会使活性物质输运分布恶化。更值得注意的是，具有最佳几何特性的电池能够在电流密度为150 mA cm-2和流量为40 ml min-1的情况下提供更好的基于泵的总效率（91.4%）。本研究全面分析了流场几何特性与肋下对流之间的关系，为高性能钒氧化还原液流电池的设计提供了指导。 3. 平衡水系氧化还原液流电池电解液的能量密度和传输特性 （点击论文名称查看全文赏析） 提高氧化还原液流电池（RFB）中氧化还原活性物质的浓度可以提高系统的能量密度，从而减少电解液储罐的体积和系统占地面积。然而，电解液的传输特性（粘度、扩散系数和离子电导率）取决于浓度，会显著影响物质和电荷传输，从而影响电化学反应和电池性能。为了平衡能量密度和传输特性，南方科技大学赵天寿院士团队研究了电解液浓度和传输特性之间的关系。研究发现随着浓度增加，电解液的粘度增加，扩散系数降低，电导率先增加后降低，这种浓度依赖性与氧化还原活性物种的流体动力学半径及其相互作用有关。此外，该团队开发了一种预测水系RFB性能的瞬态集总模型，用于评估不同电解液浓度下的传输特性及其对电池性能的影响。该模型可以预测实现电池最佳性能的氧化还原活性物质的最佳浓度。并且使用全钒RFB对结果进行了实验验证，该方法也适用于不同类型的RFB。 4. 液流电池运行过程中析氢导致的电解液流动阻力增加和堵塞 （点击论文名称查看全文赏析） 在液流电池电堆并联的液体供应系统中，电解液流量的分布与每个分支的流动阻力密切相关。然而，化学和物理过程产生的气泡往往会积聚在电极孔中，阻碍电解液流动，导致电解液分布不均。为了研究恒压差条件下气体逸出对液体流动的影响，南科大赵天寿院士和上海交大叶强副教授团队提出了一种用于单电池测试的重力驱动电解液进料系统，该系统模拟了实际电池电堆运行中的流动情况。在气泡和液体流动的相互作用下，“mA cm-2”级的析氢反应显著减少了通过多孔电极的电解液流量。当压差降至临界阈值以下时，电解液流速继续显著降低，甚至可能完全停止。足够的进液压差对于提高气泡去除效率至关重要。 5. 采用金属配位配合物作为氧化还原活性物质的氧化还原液流电池最新进展 采用可持续、丰富且结构可调的氧化还原活性物质的氧化还原液流电池（RFB）在大规模储能中具有广阔的应用前景。作为一类重要的氧化还原活性物质，具有有机配体和过渡金属离子中心特性的金属配位配合物（MCC）因其多电子电荷转移、高结构可调性和减少材料交叉等优点而受到越来越多的关注。本文概述了在水系和非水系介质中使用 MCC 作为氧化还原活性材料的 RFB。全面总结了MCCs的设计策略、溶解度特性、电化学性质和电池循环性能等研究进展。重点介绍了用于调节MCCs关键性质的配体选择和修饰策略，包括其氧化还原电位、溶解度、循环稳定性和电子转移氧化还原反应，以实现具有高能量密度的稳定循环RFBs。此外，本文还讨论了与开发基于 MCC 的 RFB 用于大规模储能实施相关的当前挑战和前景。 6. 基于N-杂环连接TEMPO和双电子联吡啶的高可溶性和无交叉性全有机氧化还原电对用于水系液流电池 （点击论文名称查看全文赏析） 水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）是安全、可持续的固定储能技术。然而，交叉污染、有限的电池电压和较差的循环稳定性仍然是其面临的挑战。为此，本研究团队设计了具有多电荷的N-杂环取代TEMPO（TMP-TEMPO）和吡咯烷/铵接枝联吡啶（[PyrTMAV]Cl4）氧化还原电对用于高性能AORFBs。整个材料制备过程相对简单，只需要两到三个合成步骤。TMP-TEMPO和[PyrTMAV]Cl4分别显示出2.4M和1.71M的高水溶性、优异的电化学可逆性和快速的氧化还原动力学。值得注意的是，将多种电荷引入活性材料中可以对离子交换膜产生强烈的吉布斯–唐纳效应，从而防止分子渗透通过膜，避免活性分子的交叉污染。通过使用无交叉的TMP-TEMPO和双电子[PyrTMAV]Cl4氧化还原电对，在0.2M的电子浓度下组装的双电子AORFB在O2含量为10 ppm和100 ppm的环境中表现出稳定的电池性能，在数百次循环（268和310次循环）中的容量保持率超过99%，获得了约89%的高能量效率和接近100%的库仑效率。此外，AORFB在1.5M的超高电子浓度下实现了约37.4 […]