【2024年成果总结】西安交通大学杨卫卫教授2024年液流电池重点研究成果总结
西安交通大学杨卫卫教授 2024年液流电池重点研究成果总结 （感谢杨卫卫教授课题组校稿） 作者简介 杨卫卫，教授/博导，热流科学与工程系常务副主任。主持国基重大项目子课题、双碳专项、面上等、国家重点研发计划课题/子课题、973项目子课题等，参与国基重点项目等。在CEJ, AE, JCP, ECM等国际期刊发表SCI论文123篇（H-index：38, Citation~4200）；申请/授权发明专利8项；合作主编《可再生能源概论》，合撰电化学能源百科全书章节“ FUEL CELLS – DIRECT ALCOHOL FUEL CELLS | Modeling”。国家自然科学二等奖1项、国家科技进步创新团队奖1项，教育部新世纪优秀人才支持计划，陕西省青年科技新星。担任国际期刊Heat Transfer Research(SCI）副主编/编委；国际期刊Carbon Neutrality（Ei）青年编委等。本文总结了杨卫卫教授课题组2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1、一种用于钒液流电池的高性能和超稳定的分级孔隙嵌套网络碳电极的开发方法 （点击论文名称查看全文赏析） 在全钒氧化还原液流电池（VRFB）中，商业碳毡电极由于其比表面积较低且活性官能团较缺乏，导致了液流电池在高功率运行条件下产生严重的电极极化现象，从而使得电池性能恶化。近日，西安交通大学杨卫卫教授团队提出了一种用于全钒氧化还原液流电池的高性能和超稳定的分级孔隙嵌套网络碳电极的开发方法，以最大限度地提高全钒液流电池的运行性能和长时稳定性。这种方法通过静态老化自生长的钴基ZIF，经过低温氧化退火处理，在碳毡电极纤维表面刻蚀出了大孔−中孔−微孔的分级孔隙嵌套网络（HNP）结构。由于其独特的协同促进结构，该改性电极展现出卓越的性能，在电流密度为200和400 mA cm−2时能量效率分别达到约83%和70%，并在经过电流密度为200 mA cm−2的1000次循环测试后表现出长期稳定性，能量效率稳定在80%左右。 2、氧化还原液流电池的运行参数监测/估计、电池管理与控制系统的综述 （点击论文名称查看全文赏析） 氧化还原液流电池的电池管理系统实时监测电解液的流速、电池温度等参数，并在工况变化时进行参数调整，保证电池安全、稳定、高效、经济地运行。然而目前，系统控制的研究工作相较于电池材料和数值模拟来说较为缺乏，虽然有一些学者对液流电池的控制系统进行了研究，但缺少针对单电池、电堆、电池组这种以由小到大、由简单到复杂的思路进行的系统性综述。因此，西安交通大学杨卫卫教授团队针对氧化还原液流电池的控制模型、参数监测与估计、电池管理和控制系统等方面，从单电池、电堆、电池系统三个不同的层次开展了综述与总结展望。在液流电池的大规模应用中，控制系统的存在不仅可以调节电池的输出功率，其中水管理和热管理系统还可以保证电池运行的可靠性和安全性。可以说，液流电池的控制系统是电池安全、稳定、高效运行的基本保证，是液流电池的大脑。此外，本文结尾结合三种层次的系统研究现状提出展望：在未来工业生产中，如何达到控制电池最佳运行零延迟和快速响应电力波动两个问题可能是液流电池系统控制未来研究工作中的重中之重。 3、验证考虑流场结构的3D多物理场等效阻力网络模型，用于VRFB电堆和电池放大分析 全钒液流电池（VRFB）是一种极具前景的大规模储能技术。然而，以往的研究工作主要集中在实验室规模VRFB，与大规模的商业化还存在着一定的距离。为了弥补实验室规模VRFB与大型商业化VRFB 之间的差距，开发考虑流场结构的精确电堆模型并研究放大过程中的指导规则至关重要。在这项工作中，首先建立了耦合质量传递、电解质流动、电荷转移和电化学反应的单电池3D多物理等效阻力网络模型。采用Hardy-Cross方法求解电池内部电解液流量分布。在建立的3D单电池网络模型基础上，利用网络连接歧管、分支管路和储液罐建立VRFB电堆网络模型。并针对所建立的模型进行了充放电电压、压降、电堆内流量偏差以及电极内部的多物理场分布多方面的验证。在研究方面，利用VRFB电堆网络模型，从最优系统效率、主效应、交互效应和主导因素等角度分析了单电池数量、面积放大因子、电极高度放大因子、和通道高度放大因子等结构因素对于VRFB放大过程中系统效率的影响。还综合分析了不同结构因素与各种能量损失之间的相关性，为实际VRFB放大过程中的结构设计提供了参考。 4、基于算法流场生成和自适应性网络模型的液流电池新型流场设计及实验验证 流场结构对于提高液流电池（RFB）功率密度起着至关重要的作用。传统的流场设计通常依赖于计算成本高昂的CFD模拟，以及基于设计者主观性的枚举法和试错法，这些方法的局限性已成为流场结构设计的主要瓶颈。本研究采用一种新的研究范式进行全钒液流电池（VRFB）流场设计，即建立自适应性的三维等效网络模型，并采用自主开发的流道生成算法，通过比较和筛选获得最佳流场。首先，利用自主研发的流道生成算法生成了由18135种流场组成的流道库。基于所建立的流道库，通过自适应性的等效网络模型计算了各种流场结构电池内部的电解质流动、物种传输和电荷传输，由于网络模型消除了网格划分的过程，大大节约了计算成本。最后，采用压降和电压效率来评估不同流场结构，以便通过比较和筛选获得高性能流场结构。并制造了所获得的包含高性能流场结构的石墨板，并通过全面的实验验证证实了该结构的高性能。在100 mA cm-2的条件下，高性能流场的能量效率比蛇形流场高出4%。该研究首次采用了自适应性的等效网络模型来生成和优化流场结构，为流道的选择和设计提供了参考。 5、VRFB电堆流动–传质–传热–电化学耦合模型及其在电堆温度控制策略中的应用 在本工作中，建立了全钒液流电池（VRFB）电堆的多物理场电化学耦合模型，同时考虑了电解质流动、物质传递、电化学反应、分路电流以及热量的产生和传递。与其它VRFB电堆模型相比，该模型在考虑多因素影响方面更加全面。基于该多物理场模型，研究了电解液在电池间的流量分布。分析了分路电流、单电池电流和电压的分布和变化规律并对温度分布和变化、产热和传热进行了研究。可以发现，在30℃的环境温度下，工作在60 A、100 mA cm – 2运行条件下，VRFB电堆温度会超过40℃，导致电解液离子沉淀，影响电池的性能和安全。为了将电堆温度控制在40℃以下，提出了一种新型储罐冷却控制策略，并确定了合适的起始冷却点和控制温度。与普通房间冷却策略相比，新型储液罐式冷却策略在20次充放电循环中降低了27.18%的能耗。 论文列表 1. J.C. Li, M.Y. […]