November 12, 2026

第一作者：王少晋 通讯作者：唐金锐&熊斌宇 通讯单位：武汉理工大学 工作简介 全钒液流电池（VRB）传统集总模型通常忽略大量电解液转移，因为其在短时间内的影响不大。然而，这种简化无法准确表示电解液交叉引起的体积不平衡和相关的容量衰减，从而限制了它们在性能预测和控制中的适用性。本文提出了一种新颖的基于瞬态零维(0-D)物理的VRB模型，该模型明确考虑了基于第一原理的电解液迁移机制。该模型以增量改进的方式修正了钒离子浓度方程中的对流项和电解液体积方程中的压差项，并且描述了VRB在运行期间质子迁移的动态行为。使用Schlögl方程对渗透驱动的水跨膜传输进行建模，并积分钒离子交叉、渗透压和旁路电流的综合效应，以量化电解液体积不平衡。超过300次充放电循环的实验验证表明，与传统模型相比，预测精度显著提高，平均容量预测误差小于2.58%，电解液体积预测误差小于5.33%。结果表明渗透压驱动的运输是电解液失衡的主要原因。该模型在不同电流密度和电池尺寸下的适用性得到进一步证明，为未来VRB系统的退化分析和运行指导提供了理论基础。 相关成果以“A novel transient zero-dimensional physics-based model of vanadium redox flow batteries with electrolyte crossover-induced capacity fade”为题发表在Applied Energy期刊上。 感谢武汉理工大学熊斌宇团队（第一作者：王少晋博士）供稿！ 本文所用 分散式液流单电池测试系统（FSS-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》 【论文奖励】2026年9月液流电池论文奖励清单！ 【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 全钒液流电池容量退化机制的准确建模对于诊断、性能评估以及制定有效的缓解和控制策略至关重要。大量研究工作致力于基于物理原理对VRB容量衰减进行建模，现有方法可大致分为多维和零维(0-D)模型。多维模型分为一维、二维或三维（1-D/2-D/3-D）类别，并考虑系统内的空间分布。他们的目标是解决细胞内详细的物理化学过程，包括多孔电极中的物质传输、局部反应动力学和电位分布。尽管这些模型提供了对退化机制的详细了解，但它们的高计算复杂性限制了它们在长期监测和系统级控制应用中的适用性。 相比之下，0-D模型基于空间平均变量描述整个系统行为，重点关注全局质量平衡和主导传输过程。它们的动态响应时间仅为几秒，显着提高了计算效率，使其非常适合系统级操作规划和控制应用。因此，0-D模型已被广泛采用来研究VRB的容量衰减。例如，Tang等人开发了一种基于四种钒离子质量平衡的电化学模型来预测VRB中的容量损失。副反应和不同质子交换膜对容量衰减的影响在[37]中得到了进一步分析。有学者确定了电池循环期间的交叉通量。为了研究不同交叉机制的贡献，针对单个VRB电池提出了基于电荷和质量守恒的0-D动态模型。 然而，这些模型大多只提供定性分析，尚未进行定量计算或长期运行预测。尽管一些研究已经解决了这个问题的各个方面，但这些模型都没有完全、明确地捕捉正负电解液体积之间的耦合不平衡机制。因此，容量衰减无法得到完全解释，导致建模精度降低，并且在实际VRB系统中长期运行的适用性受到限制。为了克服上述限制并提高模型的物理可解释性，武汉理工大学熊斌宇团队提出了一种新颖的基于瞬态零维物理的模型，该模型基于明确包含体电解液交叉的第一原理。这项工作的主要贡献总结如下： 1) 所提出的模型旨在描述离子传输、质子迁移和水交叉的耦合动力学，这些动力学在长期VRB运行过程中共同驱动本体电解液不平衡。通过系统地集成扩散和渗透压驱动的传输过程，所提出的模型能够对现有0-D模型中未捕获的容量衰减进行全面解释。 2) 引入了系统级建模框架，其中电化学电池和电解液罐被视为物理上不同但动态耦合的子系统。该公式能够明确表示浓度梯度和电解液体积变化，从而与传统的集总模型相比改进了长期容量预测。 3)    在长期循环和广泛的操作范围内进行了广泛的实验验证。结果定量揭示了渗透压驱动的水传输在电解液体积不平衡中的主导作用，并证明了所提出的模型对于长期性能预测和降解导向应用的准确性。 核心内容 1. 模型与开发 该数学模型是基于质量和电荷守恒开发的。为了获得适合长期性能和容量衰减分析的易于处理的公式，采用以下假设： 1) 正极和负极电池和槽具有相同的体积。 2) 电解液体积变化主要发生在槽中而不是电池中。 3) 气体逸出副反应对电解液失衡和容量演化的影响可以忽略不计。 4) 初始条件是完全已知的。 图1. VRB电解液交叉示意图 VRB中本体电解液交叉的示意图如图1所示。电解液交叉过程分为三个不同的部分：离子交叉、质子传输和水分子迁移。第一个由扩散驱动，而第二个由电渗透驱动并在膜上建立浓度梯度。两种效应相结合，通过渗透压驱动水分子迁移。 1.1. 钒离子浓度动态子模型 与传统模型相比，本节考虑了电池和罐的入口和出口处的差异。因此，子模型中的电解液对流项被修改以反映这种空间变化。 考虑主反应、交叉反应和副反应、分流和对流的影响，电池中四种钒离子的浓度可以用下式描述：   […]