【科普干货】钒离子浓度和硫酸浓度的优化

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【科普干货】钒离子浓度和硫酸浓度的优化

钒离子浓度和硫酸浓度的优化

图1给出了在钒离子摩尔浓度与硫酸摩尔浓度比例保持在1:2不变时，不同钒离子浓度电解液的电导率和黏度。可以看出，钒离子浓度与硫酸的浓度分别为1 mol/L和2 mol/L时，电导率最大为423 mS/cm。随着钒离子浓度的增加，电解液的电导率逐渐降低，且下降速率越来越快，而黏度则是显著增加，从1.6 mm²/s增加到5.7mm²/s。电解液的电导率与硫酸浓度成正比，而与钒离子浓度成反比，但钒离子和硫酸浓度同时增加时，溶液电导率下降。因此，钒离子浓度对电导率的影响要大于硫酸浓度对其的影响。但无论增加钒离子浓度还是硫酸浓度，电解液的黏度都会增加。

图1 不同浓度电解液的电导率和黏度

图2给出了在钒离子与硫酸浓度比例保持1:2不变时，电解液中钒离子与硫酸的浓度分别从1 mol/L和2 mol/L增加到2 mol/L和4 mol/L时电池的充、放电曲线。从图中可以看出，当电解液浓度从1 mol/L V+2mol/L H₂SO₄增加至1.25 mol/L V+2.5mol/L H₂SO₄时，电池的放电起始电压逐渐升高，说明电池内阻逐渐降低，但是从图1得到前者的电导率大于后者，所以此时电池内阻的降低主要是电化学内阻的降低。当浓度进一步增加至2 mol/L V+4 mol/L H₂SO₄时，电池放电起始电压变化已经不明显，说明此时电池内阻变化很小。但是增加浓度后，反应末期的极化明显增大，这主要是浓度增加导致了电解液黏度增加、流量减小，因此放电末期浓差极化增大，引起储能容量降低。

图2 不同浓度电解液的充、放电曲线

图3给出了不同钒离子浓度电解液中，电池的放电容量及能量效率。随着钒离子浓度的增加，电池的放电容量基本呈逐渐降低的趋势，主要原因是黏度的增大造成流量减小，增大了反应末期的浓差极化。而浓度增加，能量效率是先增大后平稳的趋势，当电解液浓度达到1.5 mol/L V+3 mol/L H₂SO₄以上时，能量效率基本达到稳定。

图3 不同浓度电解液的放电容量及能量效率

综上所述，电解液浓度增加可提高电池的能量效率，但是当浓度达到1.5mol/L V+3mol/L H₂SO₄时，能量效率趋于稳定。电解液浓度的增加使电解液黏度增大，增大了泵耗，降低了系统的放电容量和效率，同时使得电解液稳定性变差。因此在实际工程应用中，硫酸体系电解液浓度应控制在(1.25 mol/L V+2.5 mol/L H₂SO₄)~(1.5mol/L V+3 mol/L H₂SO₄)，这样不仅使电池有较高的能量效率和较大的储能容量，也会使电解液相对稳定，有利于电池系统的长期稳定运行。

【参考文献】

1.Nguyen, T. D., Whitehead, A., Wai, N., Scherer, G. G., Simonov, A. N., Xu, Z. J., & MacFarlane, D. R. (2024). Advanced Electrolyte Formula for Robust Operation of Vanadium Redox Flow Batteries at Elevated Temperatures. Small, 2311771.

2.张华民. 液流电池储能技术及应用[M]. 科学出版社, 2022.

3.Zarei-Jelyani, M., Loghavi, M. M., Babaiee, M., & Eqra, R. (2024). Comparative analysis of single-acid and mixed-acid systems as supporting electrolyte for vanadium redox flow battery. Journal of Applied Electrochemistry, 54(4), 719-730.

4.Qin, Y., Qi, P., Zhao, J., Li, X., Wang, N., Li, Q., … & Yan, C. (2022). Measurement and accurate prediction of surface tension for VOSO4-H2SO4-H2O ternary electrolyte system at high-concentration in vanadium redox flow batteries. Journal of Molecular Liquids, 365, 120079.

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