第一作者：田宇

通讯作者：刘宏波

通讯单位：西南石油大学

成果简介

钒氧化还原液流电池（VRFB）凭借高安全性、长循环寿命及优异的环境特性，在大规模储能应用领域展现出巨大潜力。然而，VRFB在高电流密度下面临浓差极化和电化学动力学滞后等挑战，限制了其能量效率和功率密度。为突破这些瓶颈，西南石油大学刘宏波团队提出了一种创新的双极板（BPP）设计方案。通过在BPP上集成微磁体，磁流体动力学（MHD）效应明显提升了电解液的质量传递效率。本研究采用多物理场耦合数值模拟方法，系统探究了微磁体负载BPP结构对离子传输和电化学性能的影响。实验结果表明，这种设计优化了电解液流动分布，改善了离子传输路径，有效抑制了浓差极化现象，并明显提升了电极的电化学反应效率，从而大幅提高电池性能。

相关成果以“Micromagnet-loaded bipolar plate design for vanadium redox flow batteries: Improved mass transport and electrochemical performance”为题发表Journal of Electroanalytical Chemistry期刊上。

本文所用

螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1）

由武汉之升新能源有限公司提供

研究背景

在氧化还原液流电池领域，Tang等人提出了一种创新方案，通过使用永磁体对钒基电解液溶液进行预磁化处理。即使移除外部磁场后，钒离子的扩散容量仍提升了20%以上。与此同时，电荷转移电阻和浓差极化电阻均有所降低，而交换电流密度和离子电导率则明显提高。此外，Zhang等人将磁场直接引入VRFB系统，观察到电极内部平均过电位降低、膜附近离子分布更加均匀、输出电压提升，以及充放电循环期间能量转换效率增强。

既往研究表明，磁场通过MHD效应影响电解液行为，改变带电离子的运动轨迹并优化流体分布，从而增强传质效率并降低极化损失。基于此，本研究提出一种集成微磁体的BPP创新设计，旨在通过磁场调控来调节电解液传输行为及反应路径。为评估该设计方案的可行性与有效性，作者团队开发了一个综合多物理场数值模型，整合了电磁场、流体动力学及电化学反应。通过该模型，系统研究了电流密度、电解液流速与流场构型的协同效应，并阐明了磁场对电解液流动动力学、传质特性及电池整体性能的影响。该研究结果为高性能VRFB的设计提供了新的见解，并为推动其商业化发展向更高功率密度和更优运行效率方向提供重要参考。

核心内容

本文系统分析了微磁体负载的BPPs对VRFBs性能的影响。研究重点考察了微磁体作用下多孔电极中过电位分布、活性离子浓度（V²⁺/VO₂⁺）以及电解液流动行为的变化规律。此外，还深入探究了微磁体负载BPPs在不同流场构型下对活性离子传质的促进作用及其对电化学性能的提升效果。基于多物理场耦合模拟结果，作者团队建立了整合电化学反应、物质传输与电池整体性能的综合评估框架，从而能够定量评估微磁体负载BPPs在提升VRFB性能方面的潜在优势。

1.模型验证

该模型在COMSOL Multiphysics 6.1中使用稳态求解器求解，相对容差为1×10⁻⁵。为验证所提模型的准确性，将模拟的极化曲线与实验测量结果进行对比。考虑到电池测试期间操作条件的良好可控性，模拟在以下条件下进行：电解液流速为35 ml/min，初始钒离子浓度为1600 mol/m³，电流密度范围为0−400 mA/cm²。

如图1（a-b）所示，采用初始BPPs和负载微磁体的BPPs组装单电池，并进行极化曲线实验。该单电池主要由高导电性石墨毡电极（面积20 mm×20 mm，厚度4 mm）、化学稳定的氟橡胶垫片、质子交换膜、镀金集流体及电池固定装置组成。通过在石墨板表面加工流道形成流场，并在背面预留微磁体安装孔（直径1.8mm，深度8mm），将集流体、电极、膜和流场板依次堆叠并保持紧密接触，保证各部件之间良好的电连接，同时使电荷转移路径最小化。

图1(c)显示模拟值与实验结果高度吻合，充分验证了所建模型的精确性与可靠性。结果表明，该模型能真实反映电池的实际运行状态，并展现出强大的预测能力。因此，模型可有效用于阐明VRFBs中磁场诱导性能提升的机制，为后续性能预测和结构优化提供了理论基础。

图1 (a)组装完成的单电池照片；(b)微磁体负载BPP及流场照片；(c)模型预测与实验结果对比

2.关键模型参数的敏感性分析

如图2（a-b）所示，随着残余磁通密度的增加，整体过电位明显降低，同时电池电压相应升高，表明磁场诱导的对流在缓解浓差极化方面起主导作用。相比之下，图2（c-d）的结果显示，钒离子扩散系数的变化仅引起过电位和电池电压的相对较小变化，表明扩散增强虽有助于性能提升，但在所研究的运行条件下并未主导电化学响应。同样地，交换电流密度的变化主要影响活化过电位（图2（e-f）），其中负极电极的灵敏度略高于正极电极。然而，由此产生的电池电压变化仅限于几毫伏，表明对电池整体性能的影响较为次要。

总体而言，敏感性分析表明模型预测不受单一参数控制，且在合理参数范围内相对性能趋势保持稳定。结果证实模型准确捕捉了物理量级的正确顺序，并为磁场增强质量输运的结论提供了强有力的证据，证明稳健可靠。

图2.关键模型参数对VRFB过电势和电池电压的敏感性分析：（a）和（b）剩余磁通密度的影响；（c）和（d）钒离子扩散系数的影响；（e）和（f）负极和正极交换电流密度的影响

3.电池电压与过电位

在数值模拟中，电池的荷电状态（SOC）固定为0.8。电解液流速从60至240 ml/min变化，放电电流密度范围为100至400 mA/cm²，初始钒离子浓度设定为1600 mol/m³。这些条件用于研究电极过电位和电池放电电压。在电池电压和过电位的模拟中，SOC固定为0.8，代表VRFB典型的中高工作条件，此时电化学反应动力学和传质效应均活跃，同时避免了在极低或极高SOC下出现的极端浓度耗尽或饱和现象。在此条件下，磁场诱导增强的影响可以以稳定且具代表性的形式进行评估。在其他SOC值下的测试模拟表明，定性趋势保持不变。

图3展示了电解液流速对电极过电位及相应放电电压的影响。随着电解液流速的增加，过电位逐渐降低，导致放电电压明显升高。在初始BPP中，将流速从60 ml/min增加到240 ml/min可使过电位从43.36 mV降低至36.80 mV，降幅为15.13%。在相同条件下，微磁体负载BPP的过电位从31.30 mV降至25.43 mV，相当于降低了18.75%。在240 ml/min时，微磁体负载BPP的过电位比初始平板低30.9%。在相同流速范围内，负载微磁体的BPP也明显提高了电池放电电压。例如，在240 ml/min时，放电电压从初始BPP的1.13V提升至1.17V，提高了3.54%。图3显示了放电电流密度对电极过电位及相应极化曲线的影响，电流密度范围为100至400 mA/cm²。随着放电电流密度的增加，过电势逐渐升高，导致放电电压降低，并呈现出明显的下降趋势。

初始BPP下，电极过电位从100mA/cm²时的18.75mV增至400mA/cm²时的51.84mV。相比之下，微磁体负载BPP在同一电流密度范围内，过电位从13.35mV升至34.00mV。微磁体负载BPP的性能提升在更高电流密度下更为明显。当电流密度达到400mA/cm²时，过电位较初始平板降低34.41%，同时放电电压从0.95V提升至1.004V，增幅达5.68%。

为进一步阐明微磁体诱导电压提升的机制，作者团队检测了局部电流密度的空间分布。图3（e-f）展示了初始状态和微磁体负载的BPPs在电流密度为250 mA/cm²、流速为180 mL/min且SOC=0.8时的局部电流密度等值线。在初始BPP，电流密度分布极不均匀，主要集中在入口和通道-肋界面区域，体现了局部传质限制和浓差极化的特征。引入微磁体后，电流密度在电极表面分布明显均匀，电流局域化程度明显降低。局部电流密度的均质化现象表明，磁场诱导的磁流体动力学效应能更均匀地将电活性物质输送到电极表面。虽然，磁场引发的附加流速相较于整体对流速度较弱，但对电极附近物质分布的重新调整作用足以缓解局部浓度梯度。

上述结果表明，离子的对流-扩散行为是制约VRFBs性能的关键因素。负载微磁体的BPPs实现的性能提升主要归因于MHD效应，该效应明显增强了传质过程。此外，工作电流密度是引发MHD效应的主要因素。电解液中洛伦兹力驱动的微对流有效优化了离子分布，并增强了电极/电解液界面附近的传质效率。

图3.初始状态与微磁体负载BPPs的电化学性能及局部电流密度分布对比：(a)与(b)电极过电位及电池放电电压随电解液流速的变化曲线；(c)与(d)电极过电位及电池放电电压随电流密度的变化曲线；(e)与(f)初始状态与微磁体负载BPPs的局部电流密度等值线分布

4.浓度分布

多孔电极中活性离子的浓度与过电位密切相关。为研究活性离子的局部浓度与分布，沿从BPP到电极表面的方向选取了三个代表性截面，分别位于电极厚度的1/4、1/2和3/4处，如图4(a)和(b)所示。在这些截面中，选择V²⁺作为代表性物种，以表征多孔电极中活性离子的局部浓度与空间分布。图4(c)展示了在SOC=0.8、电解液流速为180 ml/min、放电电流密度为250 mA/cm²的条件下，多孔电极三个横截面的平均V²⁺浓度。与初始BPP相比，负载微磁体的BPP在所有三个截面均表现出更低的V²⁺浓度。1/4区段位于流道附近，而3/4区段靠近膜。V²⁺在1/4区段明显升高，而在3/4区段降低，主要归因于单电池的内部传质阻力。与传统流场优化（主要调整电极内部的离子分布）不同，蛇形流场本身就能提供相对均匀的离子浓度分布。负载微磁体的BPP通过MHD效应进一步促进V²⁺在电解液中的迁移，洛伦兹力加速活性物质的补充。因此，更多V²⁺到达电极表面参与电化学反应，从而扩大有效反应面积、提高反应充分性并降低浓差极化。

为进一步分析微磁体负载BPP对多孔电极中活性离子浓度分布的影响，研究了在放电电流密度为100−400 mA/cm²和电解液流速为60−240 ml/min条件下，V²⁺和VO₂⁺浓度的变化特征。如图4(d)和(e)所示，多孔电极中V²⁺和VO₂⁺浓度随电解液流速增加而升高。与初始BPP相比，负载微磁体的BPP电解液体相离子浓度较低，但电极表面离子浓度较高。在磁场作用下，V²⁺比VO₂⁺表现出更明显的活性增强，主要归因于V²⁺更强的顺磁性，使其能够产生自旋依赖效应，以及负极反应对MHD效应诱导的质量传递增强更为敏感。相比之下，VO₂⁺的抗磁性及其电化学反应的复杂性导致其对磁场的响应较弱。具体而言，在电解液流速为240 ml/min时，初始BPP上V²⁺和VO₂⁺的平均表面浓度分别为556.90 mol/m³和862.87 mol/m³，而在微磁体负载的BPP上，分别增加到581.92 mol/m³和866.86 mol/m³。

如图4(f)和(g)所示，多孔电极中V²⁺和VO₂⁺的浓度随放电电流密度的增加而明显降低。同样地，与初始BPP相比，负载微磁体的BPP电解液中体相离子浓度降低，而电极表面离子浓度则呈现上升趋势。在放电电流密度为400 mA/cm²时，初始BPP上V²⁺和VO₂⁺的平均表面浓度分别为285.95 mol/m³和715.59 mol/m³。在相同条件下，负载微磁体的BPP显示出相应的表面浓度为320.69 mol/m³和721.5 mol/m³。

  图4（d–g）所示的浓度分布是在图4（a–b）所示的半平面横截面上进行评估的。总体而言，多孔电极内部的浓差极化在磁场作用下减弱，进一步证实了负载微磁体的BPP通过MHD效应增强了离子质量传递，从而促进了电化学反应。

图5.(a)与(b)多孔电极1/2截面处初始状态及微磁体负载BPPs的电解液流场分布；(c)与(d)多孔电极内部不同位置处初始状态及微磁体负载BPPs的电解液流速分布

6.不同流场配置下的电池性能

为深入探究微磁体负载的BPPs在不同流场构型下对电池性能的影响，本研究选取了两种微磁体负载的BPPs：蛇形流场双极板（SFF-BPP）和叉指流场双极板（IFF-BPP）。IFF-BPP的微磁体排列如图6(a)和(b)所示，磁场方向遵循既定模型，沿正Z轴（Z=1）均匀分布。作者团队通过数值模拟分析了微磁体负载的BPPs在两种流场配置下对电池极化行为和充放电性能的影响。模拟实验采用180 mL/min的电解液流速和1600 mol/m³的初始钒离子浓度进行。

如图6(c)所示，与未负载微磁体的SFF-BPP相比，负载微磁体的IFF-BPP展现出更明显的放电电压提升。具体而言，在400 mA/cm²的放电电流密度下，SFF-BPP的放电电压从0.95V提升至1.004V（增幅5.68%），而IFF-BPP则从0.933V升至0.987V（增幅5.79%）。当电极内部离子浓度分布不均匀时，性能提升更为明显。如图6(d)所示，当SOC为0.2时，SFF-BPP的放电电压从0.885V升至0.934V（增幅5.54%），而IFF-BPP则从0.856V升至0.914V（增幅6.78%）。研究结果表明，负载微磁体的IFF-BPP在循环过程中能更有效地降低充电电压并提升放电电压。与SFF-BPP相比，IFF-BPP在运行时表现出更不均匀的离子浓度分布。该技术通过缩小液固相间的浓度差、提高离子浓度分布均匀性来提升性能，可有效缓解浓差极化现象，从而降低浓度过电位。

总体而言，研究结果表明，对于离子分布不均匀的流场结构，负载微磁体的BPPs能更有效地促进电解液混合与传质，从而缓解浓差极化现象，最终提升电池性能。

图6.(a)和(b)微磁体负载的IFF-BPP示意图；(c)不同结构BPPs的极化曲线对比；(d)不同结构BPPs的充放电曲线对比

结论展望

本文为缓解VRFBs在高电流密度下明显的浓差极化和迟缓的电化学动力学限制，提出了一种创新的结构设计，将N35微磁体集成到BPPs中，通过磁场诱导的MHD效应增强电解液传质。开发了一个多物理场耦合的数值模型，结合电磁场、流体动力学和电化学反应，系统地模拟和分析电池在不同电解液流速（60−240 ml/min）和放电电流密度（100−400 mA/cm²）下的性能，并与传统BPP进行比较。主要结论如下：(1)明显性能提升：负载微磁体的BPP有效降低了电池过电位并提高了放电电压。过电位降低了34.41%，而放电电压提高了5.68%，证实了所提出的设计可以明显改善电化学反应动力学并缓解浓差极化。(2)增强的传质机制：MHD效应改变了带电离子的轨迹，优化了多孔电极内的电解液流分布，从而形成更均匀的速度分布、扩展的流体加速区和改进的离子传输路径。具体而言，多孔电极中液相活性离子（V²⁺和VO₂⁺）的浓度会降低，而表面浓度则会升高。这种变化降低了整体浓差极化效应，从而促进更均匀且充分的电极反应。(3)不同流场结构下的性能提升：与SFF-BPP相比，IFF-BPP在加载微磁体后表现出更明显的性能提升，源于固有的非均匀离子分布特性。在此配置中，通过液–固浓度梯度降低与空间离子分布优化的双重协同机制，浓差极化效应得以缓解，从而进一步提升电池的电化学性能。总之，本研究证明将微磁体集成到VRFB的BPPs中是提升电池性能的有效策略。

文献信息

Yu Tian, Hongbo Liu, Jiaqi Wan, Shuo Tang, Kang cen, Qiang li, Sibo Fu,Micromagnet-loaded bipolar plate design for vanadium redox flow batteries: Improved mass transport and electrochemical performance,2025,Journal of Electroanalytical Chemistry

https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2026.119835

延伸阅读（刘宏波团队近期论文合集）：

【液流电池论文赏析】西南石油大学刘宏波教授JEC：预磁化粉碎水合钒离子提高氧化还原液流电池的性能