October 21, 2026

通讯作者：张磊 通讯单位：大连理工大学 DOI：10.1016/j.est.2026.124832 工作简介 本文提出了一种新型周期性梯度流场（PGFF），其具有收敛–发散通道结构。通过引入周期性宽度变化，PGFF可在相邻通道间建立更大的压差，进而产生更强的局部压力梯度，从而强化肋下对流。在低流速与高电流密度工况下，PGFF的反应物分布均匀度可达79.94%，展现出卓越的传质性能。与蛇形流场及梯度蛇形流场相比，PGFF分别可将能效提升5.62%与4.57%。在所研究的工况条件下，PGFF的最小流速为0.31mL min⁻¹ cm⁻²，最大可运行电流密度为450mA cm⁻²。相较于基准流场，PGFF的流速极限降低50.00%，电流密度极限提高20.00%，表明在低流速与高电流密度工况下具有更优的运行耐受性。此外，本文引入了一个通道特性参数（γFF），作为几何描述符，用以阐明流场几何结构、相邻通道间的压差以及肋下对流之间的结构–性能关系。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 【论文奖励】2026年8月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年7月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年5~6月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年4月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年3月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年2月液流电池论文奖励清单！ 研究背景 VRFBs已成为电网级储能领域一项极具前景的技术。成功得益于高容量、卓越的化学稳定性、超长循环寿命（15000–25000次充放电循环）以及容量再平衡能力。VRFBs已步入商业化阶段，并逐步应用于日益增多的电网级储能项目中。然而，较高的系统成本（170–580$/(kWh)，而锂离子电池为132$/(kWh)）仍严重制约了其广泛部署。在低流速与高电流密度条件下运行，是降低系统成本最直接且有效的手段之一：较低流速可降低泵送能耗与系统维护成本，而较高电流密度则可在给定容量下降低电堆成本。例如，将电流密度从180mA cm⁻²提升至400mA cm⁻²，可使电堆组件成本降低约45%。但此经济可行的运行条件受限于低流速与高电流密度共同引发的严重浓差极化现象。在传统多孔纤维毡电极（PFFEs）中，钒离子扩散系数（10⁻⁵–10⁻⁶cm² s⁻¹）与电子转移速率常数（10⁻⁴–10⁻⁵cm s⁻¹）之间相差约一个数量级。这种失衡状态易导致本体电解质与电极表面之间产生浓度梯度。在低流速与高电流密度条件下，有限的电解质供应无法满足加速的反应物消耗速率，从而进一步加剧传质–反应失衡。此过程进而加剧浓差极化现象，同时局部过电位升高、副反应及效率下降等现象亦愈发显著。因此，增强内部物质传输与反应物补充多孔电极对于缓解低流速与高电流密度条件下的传质–反应失衡至关重要。 核心内容 1.反应物的分布均匀性 图1.电池中电解质传输的空间分布特性 在三种流场配置中，各流道间的压差呈现出显著差异。在SFF配置中，恒定的流道宽度使得相邻流道间的压差相对较小且近乎均匀，平均水力压差为ΔP=78.13Pa。在GSFF配置中，流道间压差从入口端（ΔP=54.91Pa）到出口端（ΔP=249.37Pa）逐渐增大，表明对流增强效应主要集中在下游区域。相比之下，PGFF配置在整个流道中始终保持较大的流道间压差（ΔP=251.34Pa）。 电解质流速及V²⁺浓度分布表征结果表明PGFF在整个电极区域内均维持较高的电解质流速，同时在肋下表现出显著的流速增强效应。增强的肋下对流显著调控了活性物质分布，V²⁺浓度分布曲线与流速场分布呈现出高度一致性。在三种设计方案中，PGFF凭借增强的肋下对流实现了最高的浓度均匀性，其次为GSFF与SFF。此外，不同流场结构呈现出显著差异的流速分布特征：PGFF的整体流速显著高于SFF与GSFF，同时展现出独特的周期性流速变化。与在SFF和GSFF中观察到的八个速度峰不同，PGFF仅表现出四个主要峰，其位置恰好对应于“宽–窄–宽”通道之间的肋区。在第一个流速波形中，PGFF的峰值流速为0.35mm s⁻¹，谷值流速为0.32mm s⁻¹，流速衰减率为8.45%，分别比SFF和GSFF的衰减率低72.45%和80.27%。即使在主峰之后的显著流速谷值处，PGFF仍保持0.17mm s⁻¹的流速，高于SFF的峰值流速（0.10mm s⁻¹）。结果表明PGFF有效抑制了相邻宽通道之间的电解质流速耗散，从而维持了较高的整体流动强度，并增强了整个电极内的质量传输。 V²⁺的空间浓度分布进行了多维定量分析结果表明，三种流场中的浓度分布特征存在显著差异。SFF沿中心线呈现连续的浓度衰减，而GSFF与PGFF由于肋下对流增强，均保持显著更高的浓度水平，其中PGFF的平均浓度最高。对比分析证实，PGFF在流动方向上实现了最优的纵向质量传输效率。   2.不同流场下的性能对比 图2.电池在不同流场条件下的模拟电化学性能 对于所有配置，电解质速度均随入口流量的增加而增大。在所考察的设计中，PGFF在整个研究工况范围内始终表现出最高的平均电解质速度，此现象源于PGFF的周期性收敛–发散通道结构，该结构形成了显著的通道间压差，并诱发了强烈的肋下对流。由此产生的对流传输增强不仅提高了电极内的电解质速度，还促进了反应物分布的均匀化，从而提升了整体传质性能。不同流量及不同电流密度下UF的分布特性显示在大多数工况条件下，PGFF均展现出最高的UF，从等值线图中的主导红色区域得以体现。在相同的运行条件下，PGFF始终展现出更优异的均匀性性能，凸显了其在确保反应物均匀分布方面的卓越稳定性。结果表明，PGFF设计显著改善了传质过程，确保了电极内反应物的均匀分布，并提升了电化学反应性能。 此外，在流量范围为10–30mL min⁻¹时，所有流场条件下的电池电压（Ecell）均随电流密度的增加而单调下降，主要归因于多孔电极内浓差极化的加剧。相比之下，PGFF在所有条件下均表现出最佳的Ecell性能。具体而言，在电解质供给量为10mL min⁻¹时，PGFF在200和250mA cm⁻²下的Ecell分别达到1.29V和1.27V，较GSFF分别高出2.45%和3.36%。并且，增加流量可改善反应物的传质效果，并缩小不同流场间Ecell的差异。 雷达图分析结果表明PGFF不仅通过增强肋下对流提升了传质效率，还优化了电解质分布与反应动力学，从而在经济有利运行条件下展现出卓越的综合性能。 图3.电池在不同流场条件下的实验性能评估 在300mA cm⁻²下，PGFF基电池的充放电曲线展现出明显的性能优势。与SFF和GSFF相比，PGFF具有更低的充电电压、更高的放电电压以及更大的放电容量。此外，当电解液供给量限制在10mL min⁻¹时，PGFF在150、200及250mA cm⁻²下分别展现出显著更高的EE，分别为76.04%、70.38%及64.90%。相较于SFF，分别对应EE提升2.94%、4.57%及5.62%；而与GSFF相比，EE提升幅度分别为1.72%、3.57%及4.57%。在较高流量条件下（20、30及40mL min⁻¹），PGFF仍保持相较于SFF与GSFF更优的EE特性，且不同流场间的性能差异随流量增加而逐渐减小。而且，在相同流动条件下，PGFF始终展现出更优异的电流密度耐受性，同时保持更高的EE性能。 此外，对比在250–450mA cm⁻²与5–50mL min⁻¹内的三种流场结构性能实验结果表明PGFF在低流速和高电流密度条件下表现出更强的运行耐受性，在所研究的参数范围内，保持了更广泛的实验可及工作区域，并普遍具有更高的EE。在30种工作条件下，PGFF的有效工作范围达到63.33%，相较于SFF提高了58.33%，相较于GSFF提高了18.75%。而且，在极低流速5mL min⁻¹条件下，SFF和GSFF在250mA cm⁻²时完全失效，而PGFF仍能保持稳定的充放电性能。   3.流场的几何特性参数 图4.基于流场设计优化的肋下对流增强基本机理及定量分析 为定量表征流场中几何结构的贡献效应，本文引入一个基于几何特征的通道特征参数γFF作为几何描述量。对不同流场的比较分析表明，PGFF凭借非线性梯度设计，在γFF上实现了系统性提升，相较于SFF（恒定γFF）和GSFF（线性递增γFF）均展现出显著更优的性能。定量而言，SFF的γFF为0.34mm⁻³，而GSFF的γFF则从0.18mm⁻³增至1.12mm⁻³。相比之下，PGFF的最大γFF达到1.42mm⁻³，相较于SFF提升了316.33%，相较于GSFF的峰值γFF提升了25.96%。基于已建立的γFF-ΔP关联式，可直接推导出不同流场配置下的压差分布。PGFF始终维持较高的γFF，从而在整个流场中保持最大的水力压差（ΔPPGFF>ΔPSFF）。相反，GSFF的压降水平仅在末端通道接近PGFF（ΔPGSFF≈ΔPPGFF），而其大部分流域区域的压降仍远低于PGFF的基准值。SFF则完全不具备压差调控能力，在所有通道中始终保持最低的恒定压差。预测结果与数值模拟结果高度吻合，证实了γFF作为压差强度预测指标的有效性。 […]