桂林电子科技大学黄泽波副教授
2024年液流电池重点研究成果总结
作者简介
黄泽波，桂林电子科技大学校聘副教授，研究方向为液流电池储能及新能源测控技术。目前在《Chemical Engineering Journal》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《Journal of Energy Storage》、《Electrochimica acta》、《Journal of energy chemistry》、《Journal of The Electrochemical Society》等国际知名期刊发表学术论40余篇，其中： SCI检索28篇(一作或通讯22篇)、EI检索4篇、核心期刊5篇，ESI高被引论文1篇，热点论文1篇，申请发明专利4项。主持广西自然科学基金面上、成都科技局重点研发支撑计划、重点实验室开放课题，参与国家自然基金等项目7项。目前担任《装备制造技术》青年编委，《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Energy Storage》、《International Journal of Energy Research》、《AIChE Journal》、《Ionics》、MDPI、《储能科学与技术》、《电源学报》等10余个期刊审稿人。本文总结了黄泽波副教授2024年度在液流电池领域的相关文章。
文献总结
1. 液流电池：基于仿生机制并增设阻块的流场设计（点击论文名称查看全文赏析）
钒液流电池是实现大规模和长期储能的重要技术，其中流场设计是影响电池整体性能的关键因素之一。本研究借鉴了仿生叶脉的结构，提出了三种在主流道中加入不同形状阻块的流场设计。该设计旨在增强电解液向分支的分流能力，从而实现更均匀的电解液分布。其中，采用圆形阻块的结构表现出优异的性能，具有最低的充电电压和最高的放电电压。此外，该结构还实现了最高的活性物质浓度均匀度(0.903)。在流速为3 ml/s和电流密度为40 mA/cm²的条件下，基于泵功率的效率最大提高了1.7%，基于输出功率的效率则最大提高了2.5%。这一研究为仿生流场设计提供了新的思路，并展示了其在实际工程应用中的巨大潜力。
2. 析氢反应对钒液流电池性能影响的评价（点击论文名称查看全文赏析）
钒液流电池(VRFB)由于其卓越的优势，受到了广泛关注，已成为大规模和长期储能解决方案的首选。然而，氢气析出反应(HER)等副反应导致了 VRFB 性能的不足，从而使整个系统的性能下降。因此，研究 HER 对 VRFB 性能的影响机制，并找出有效的减轻措施势在必行。为此，我们选择了充放电曲线、内阻、压降、泵功耗、效率和容量保持率等关键参数，以评估 HER 对 VRFB 性能的影响。实验结果表明，HER 会导致充电阶段电压的增加以及放电阶段电压的降低，从而引起电压损失。此外，气泡的生成显著增加了压降和泵功耗；气泡还可能导致流道和电极的堵塞，从而使欧姆阻抗增加。最终，HER 对效率和容量产生了显著影响，平均能量效率仅为 2.92%。在经历 60 个循环后，容量保持率则下降了近 7.69%。
3. 钒液流电池电解液导流设计优化阻块的数值分析（点击论文名称查看全文赏析）
钒液流电池(VRFB)因其稳定性、环境友好性和良好的可扩展性，被认为是长时储能的理想选择。本文通过在流场中设计阻块以引导电解液流动，从而实现提高效率的目标。然而，由于这一过程涉及多个物理量的耦合作用，具有极高的复杂性，因此本文分析了四个关键性能参数(压降ΔP、平均浓度、充放电电压和过电位)与两个外部物理量(阻块直径和流速)之间的相关性，并推导出了阻块优化系数(OOC)的经验公式。此外，通过动态调整设计参数，输入并计算 OOC 值，找到其最大值，从而确定流场的最佳设计方案。本文在不同流速条件下进行了模拟验证，证实了所提出经验公式的准确性和实用性。
4. 钒液流电池容量衰减副反应的实验验证（点击论文名称查看全文赏析）
钒液流电池(VRFB)被广泛认为是缓解可再生能源间歇性问题并实现“碳中和目标”的最有效解决方案之一。然而，副反应引起的容量损失对电池整体性能产生了不利影响，从而限制了其在大规模储能系统中的应用潜力。本研究提出了一种新颖的方法，通过采用适当的充电截止电压机制，尽量减少副反应并减缓容量衰减。实验以电池的充放电性能、内阻、容量保持率和效率等关键指标为分析对象，结果表明，将充电截止参考电压设置为 1.65 V 时，电池在经过 60 个循环后容量仍可维持在 61.76%。当充电截止电压分别提高 0.1 V 和 0.15 V 时，电池容量分别下降了 1.74% 和 5.16%。上述研究结果突出了副反应对电池容量影响的重要性，并表明通过优化充电截止电压机制可以显著提升电池的整体性能。
5. 氧化还原液流电池：非对称设计分析与研究方法（点击论文名称查看全文赏析）
液流电池(RFB)因其能量与功率解耦的特性，成为大规模储能的理想选择。然而，RFB 的性能通常受到多种因素的影响，包括活性物质溶解度有限、活性物质交叉渗透以及正负极反应动力学差异等问题。此外，对称式 RFB 通常表现出较低的能量密度，并在缩小正负极差异方面面临显著挑战。因此，推动非对称式 RFB 的发展对于解决对称式 RFB 的固有问题至关重要。为应对上述挑战，研究非对称式 RFB 的开发并设计具有更高能量密度和更平衡正负极反应动力学的系统显得尤为重要。本文对非对称电解液、运行技术以及电极的最新研究进展进行了全面分析，同时探讨了利用非对称设计解决核心问题及其对提升电池性能的深远影响。最后，文章还讨论了非对称温度对电池性能改进的作用。本综述旨在为通过非对称研究方法提升 RFB 性能提供参考和指导。
6. 基于新型螺旋流场的钒液流电池传质性能数值分析与研究（点击论文名称查看全文赏析）
钒液流电池(VRFB)因其高安全性而成为大规模固定储能的领先选择。然而，其进一步发展受限于低能量密度和高成本。流场性能是显著影响电池性能的关键因素之一。本文提出了一种新颖的螺旋流场(NSFF)，与常见的蛇形和并行流场有所不同。研究结果表明，在流速为 180 ml/min 和电流密度为 90 mA/cm²的条件下，NSFF 的能量效率分别比蛇形流场和并行流场高出 3.65% 和 9.8%。此外，经过多次循环后，NSFF 的健康状态达到72.18%，分别超越蛇形和并行流场 9.97% 和 32.12%。这些结果表明，NSFF 在提升 VRFB 性能方面具有显著优势。
7. 工况对钒液流电池容量的影响（点击论文名称查看全文赏析）
钒液流电池(VRFB)为解决风能和太阳能发电过程中存在的间歇性输出问题提供了一种可行的解决方案。然而，其发展受到低能量密度和高成本的制约。为实现降低成本的目标，优化运行条件、减少容量损失以及提升电池性能显得尤为重要。通过精细的实验分析，本文系统研究了膜厚度、电流密度、流速以及自放电对电池容量的影响。实验结果表明，膜厚度的增加会导致质子传输阻力的上升，从而削弱电化学反应效率。此外，当电流密度和流速超过临界值时，容量也会随之下降。而长期闲置则会引发严重的自放电反应，加速容量衰减的进程。本研究表明，通过优化运行参数，可以有效缓解电池容量衰减问题，为提高 VRFB 的整体性能提供了理论支持。
论文列表
[1] Liu, Y.; Huang, Z.; Xie, X.; Liu, Y.; Wu, J.; Guo, Z.; Huang, Q. Redox Flow Battery: Flow Field Design Based on Bionic Mechanism with Different Obstructions. Chem. Eng. J. 2024, 498, 155663.
[2] Ma, T.; Huang, Z.; Xie, X.; Li, B. Evaluation of the Effect of Hydrogen Evolution Reaction on the Performance of All-Vanadium Redox Flow Batteries. Electrochimica Acta 2024, 504, 144895.
[3] Xie, X.; Liu, Y.; Huang, Z.; He, Z.; Liu, Y.; Huang, Q.; Guo, Z.; Zhang, B. Numerical Analysis of the Design Optimization Obstruction to Guide Electrolyte Flow in Vanadium Flow Batteries. J. Energy Storage 2024, 101, 113802.
[4] Huang, Z.; Liu, Y.; Xie, X.; Huang, C.; Huang, Q.; Guo, Z.; Liu, Y. Experimental Validation of Side Reaction on Capacity Fade of Vanadium Redox Flow Battery. J. Electrochem. Soc. 2024, 171 (1), 010521.
[5] Liu, Y.; Zhang, B.; Huang, Z.; Xie, X.; Liu, Y.; Xiong, Z.; Luo, Y.; Li, Z.; Wu, J.; Wu, L.; Huang, Q. Redox Flow Batteries: Asymmetric Design Analysis and Research Methods. J. Energy Storage 2024, 104, 114455.
[6] Li, Z.; Wang, F.; Huang, Z. Numerical Analysis and Research on Mass Transfer Performance of Vanadium Redox Flow Battery Based on Novel Spiral Flow Field. J. Electrochem. Soc. 2024, 171 (6), 060519.
[7] Ma, T.; Huang, Z.; Li, B.; Xie, X.; Huang, C.; Lin, T.; Guo, Z. Effect of Operating Conditions on the Capacity of Vanadium Redox Flow Batteries. J. Electrochem. Soc. 2024, 171 (6), 060503.