August 24, 2026

第一作者：包道日娜、李友 通讯作者：包道日娜 通讯单位：内蒙古工业大学、深圳技术大学 DOI：10.1016/j.tsep.2026.104900 工作简介 针对极端低温与高温环境下全钒液流电池（VRFB）电解液储罐难以同时兼顾保温、快速加热和高效散热的问题，本研究开发了一套双模式温控系统，将双层真空绝热、夹层液冷和旋转搅拌加热集成于同一储罐结构，并在−40～60 ℃范围内开展对比实验与COMSOL传热模拟。结果表明，在−20～−40 ℃低温保温试验中，新系统的电解液温降为24.6～32.4 ℃，明显低于传统系统的40.3～51.5 ℃；加热时间缩短77%～83%，能耗降低44%～58%。在40～60 ℃环境下，夹层液冷可将电解液温度快速降低至约27 ℃附近并维持稳定。−20 ℃单电池循环试验进一步证实，该系统可提高不同流量和电流密度下的库仑效率、电压效率与能量效率，为VRFB在寒冷、炎热及温差显著地区的稳定运行提供了一体化热管理方案。 感谢内蒙古工业大学包道日娜团队（第一作者：李友）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 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 钒液流电池具有功率与容量可独立设计、循环寿命长、安全性高和适合大规模长时储能等优势，但电解液性能对温度十分敏感。低温会使电解液黏度升高、离子扩散变慢，增加流动阻力、泵耗和电极极化；高温则会降低高价钒离子的稳定性，增加沉淀、副反应及容量衰减风险。现有工程方案通常在低温下采用外贴伴热带、保温棉或保温棚，在高温下依赖自然散热、空调或外部换热器。这些措施往往彼此独立：外部加热传热路径长、热损失大，固定热源容易造成局部过热，而单一保温结构又难以兼顾高温散热。因此，如何围绕电解液储罐构建可在保温、加热与冷却之间切换的紧凑型系统，是提升VRFB全气候适应性与系统效率的关键问题。 核心内容 1.现有温控策略的局限性及所提出系统的设计理念 图1 双模式温度控制系统的工作原理示意图 在实际工程应用中，VRFB电解液储罐通常采用外部伴热带、保温棉包覆以及保温大棚等方式进行低温防护。伴热带通过外部加热补偿热量损失，保温棉和保温大棚则通过降低环境换热减少电解液降温。然而，这些方法主要针对低温保温需求设计，仍存在传热路径长、升温速度慢、温度分布不均以及无法兼顾高温散热等问题。尤其是保温棉和保温大棚属于被动保温措施，在高温环境下难以实现主动温度调控。因此，传统单一保温或加热方式难以满足VRFB 在复杂气候条件下的综合温度管理需求。 为解决上述局限性，本研究提出了一种用于全钒液流电池（VRFB）电解液储罐的双模式温度控制系统。不同于传统依赖独立保温、加热和冷却设备的方案，所提出的系统将真空保温、夹层液冷以及直接接触式旋转搅拌加热集成于同一储罐结构中。在低温条件下，夹层作为真空保温层，以减少电解液的热量损失；在高温条件下，夹层则作为冷却液循环通道，以增强散热能力。旋转搅拌加热装置将直接接触加热与强制对流混合相结合，实现了电解液的快速升温并提高了温度均匀性。   2.双模式温控系统构建及实验验证方案 图2 验证双层储罐在低温保温、高温液冷模式下的性能 图3 比较伴热带+保温棉与旋转搅拌加热两种升温方式 图4 将传统系统与提出系统集成到 VRFB 单电池测试平台，验证实际运行效果 本研究构建了一套用于全钒液流电池（VRFB）电解液储罐的双模式温度控制实验系统，并通过实验对比传统温控方式与所提出系统的热管理性能。首先，针对低温环境，分别测试了单层储罐结合保温棉、伴热带等传统保温方式，以及双层真空保温储罐的隔热性能；针对高温环境，进一步对比了单层储罐自然散热与双层储罐夹层液冷模式的散热效果。随后，设计并搭建了旋转搅拌加热装置，将其与传统外部伴热带加热方式进行对比，评价不同加热方式对电解液升温速率和温度均匀性的影响。最后，将传统系统与所提出双模式温控系统集成至VRFB 单电池循环测试平台，在低温条件下验证其对电池运行性能的改善效果。   3.双层真空保温储罐低温保温性能验证 图5  SWI 和 DWVI 储罐的实验平均温度衰减曲线（n = 3）、标准差以及模拟结果：（a–c）SWI 储罐在 −20、−30 和 −40 ℃条件下的温度变化；（d–f）DWVI 储罐在 −20、−30 和 −40 ℃条件下的温度变化 图6 低温条件下不同储罐结构保温性能对比。（a）单层保温储罐和双层真空保温储罐在 −20 ℃、−30 ℃和 −40 ℃条件下的温度衰减曲线；（b）−20 ℃条件下四种保温结构的温度衰减曲线及最终温度对比 针对低温环境下电解液快速降温问题，开展了单层保温储罐（SWI）与双层真空保温储罐（DWVI）的热性能对比实验，并结合COMSOL 数值模拟分析其温度变化规律。在低温测试过程中，双层储罐夹层被抽真空形成真空保温层，以减少气体导热和自然对流造成的热量损失。结果表明，在−20、−30和−40 ℃环境条件下，双层真空保温储罐均表现出更优的保温效果，其电解液温降范围为24.55–32.44 ℃，相比单层保温储罐降低约37.0%–39.5%。随着环境温度降低，真空保温结构的优势更加明显，能够有效延缓电解液温度下降并维持较高运行温度。实验结果与模拟结果具有较好一致性，验证了模型的可靠性。此外，在−20 ℃条件下对比不同储罐结构发现，双层真空保温储罐的保温性能优于单层保温棉、未通电伴热带辅助保温以及裸单层储罐，表明抽真空形成的低导热夹层能够有效提升储罐隔热能力。   4.双层储罐高温液冷性能验证 图7 裸单层储罐和双层液冷储罐的实验平均冷却曲线（n = 3）、标准差及模拟结果：（a–c）裸单层储罐在40、50和60 ℃环境条件下的冷却过程；（d–f）液冷双层储罐在40、50和60 ℃环境条件下的冷却过程 图8 高温条件下裸单层储罐和双层液冷储罐的温度响应及液冷换热过程 针对高温环境下VRFB 电解液温升及热稳定性问题，开展了裸单层储罐自然散热与双层液冷储罐夹层强制冷却性能对比实验，并结合COMSOL 模拟分析其传热过程。在高温测试过程中，双层储罐夹层作为液冷通道，通过循环冷却液强化储罐壁面的换热能力，实现主动散热。结果表明，在40、50和60 ℃环境条件下，液冷双层储罐均表现出明显优于裸单层储罐的降温效果，可在30–40 min 内将电解液温度降低至约27–28 ℃并保持稳定，而裸单层储罐主要依靠自然对流散热，降温速度较慢且最终温度接近环境温度。模拟结果与实验数据吻合良好，验证了模型的可靠性。进一步分析表明，夹层液冷结构建立了稳定的强制对流换热路径，有效提升了高温条件下储罐的散热能力。   5.旋转搅拌加热方式及其强化传热机理研究 图9三种加热方式及其对应温度场对比。（a–c）外部伴热带、固定式浸入加热棒和旋转搅拌加热装置示意图；（d–f）对应加热方式下的温度分布 图10所提出系统与传统系统温度场和速度场对比：（a，d）所提出系统在 YZ 和 XY 平面上的温度云图；（b，e）传统系统在 YZ 和 XY 平面上的温度云图；（c，f）所提出系统在 YZ 和 XY 平面上的速度云图。颜色标尺分别表示温度（℃）和速度（m·s⁻¹） 针对低温环境下VRFB 电解液升温速度慢及温度分布不均的问题，设计了一种直接接触式旋转搅拌加热装置，并通过数值模拟对比分析了外部伴热带、固定浸入式加热棒和旋转搅拌加热三种方式下的温度分布特性。结果表明，外部伴热带主要依靠罐壁导热传递热量，容易造成壁面温度较高而中心区域升温滞后的现象；固定浸入式加热棒虽然提高了热源与电解液的接触程度，但仍存在热源附近局部过热问题。相比之下，旋转搅拌加热通过加热元件直接向电解液供热，并利用旋转运动诱导流体循环，增强了对流换热能力，使电解液内部形成更加均匀的温度场。 进一步结合三维瞬态模拟，对比分析了传统加热系统与所提出旋转搅拌加热系统的温度场和速度场演化过程。结果显示，旋转搅拌作用能够显著促进电解液内部流动，提高热量传递效率，减少温度梯度，实现快速且均匀的升温过程，为低温条件下VRFB 储罐快速启动提供了有效的热管理方案。   6.双模式温控系统低温加热性能及单电池性能验证 图11所提出系统与传统系统的低温性能对比 图12 −20 ℃条件下传统系统与所提出系统的库伦效率、能量效率和电压效率随循环次数的变化关系：（a）50、（b）70 和（c）90 […]