鑽石舞台

英文原題：Analysis of Electrode Configuration Effects on Mass Transfer and Organic Redox Flow Battery Performance

通訊作者：譚占鰲，楊國安，北京化工大學

作者：Fengming Chu (褚鳳鳴), Minghui Su (蘇明輝), Guozhen Xiao (肖國震), Zhanao Tan (譚占鰲), Guoan Yang (楊國安)

基於電化學的大規模儲能技術對於可再生能源（如太陽能和風能）併網具有重要意義。氧化還原液流電池是大規模儲能技術之一。全釩液流電池是目前最著名和研究最廣泛的氧化還原液流電池。然而，釩離子的高成本和高毒性是進一步應用的主要障礙。更何況全釩電池的反應溫度和能量密度太低，不適合工業化發展。有機氧化還原液流電池由於活性材料易控制、能量密度高、材料來源廣泛、價格相對低廉，可以輕鬆解決上述問題。因此，有機氧化還原液流電池已成為研究的熱點。為了提高液流電池的性能，進行了大量的結構設計優化和增強傳輸機理研究。

近年來由於液流電池自身相對優越的性能和較低的使用成本，國內外相關科研機構和政府組織建立了一系列示範工程，但是液流電池儲能系統中仍存在着較多問題亟待解決，比如功率和能量密度低、能量管理系統優化策略等。液流電池性能受到多種因素的影響，其主要部件包含電解液、電極流道和離子交換膜等，而未來液流電池儲能技術必將朝着高容量、長循環壽命、開發成本低、安全高效等方向發展，因此對於液流電池電化學性能等方面的研究十分重要。目前，報道研究大多集中在全釩液流電池上，有機氧化還原液流電池的傳質過程研究較少。因此對於有機液流電池的傳質機理和性能調控策略研究具有重要意義。

近日，北京化工大學譚占鰲教授的研究團隊報道了蒽醌有機液流電池電極內部多組分輸運傳質和電池性能關係的影響。基於 Nernst-Planck 和 Butler-Volmer 理論建立了一種新穎的 ORFB 3D 數值模型，並通過充放電過程的大量實驗驗證了該模型。研究了裝備矩形、梯形和扇形電極的ORFB放電過程電壓、過電位、均勻性因子和功率效率的變化規律。

圖1. 不同電極結構電池過電位情況

對三種電極結構的過電位分析結果如圖1所示，扇形電極結構的過電位在整個核電周期內絕對差值最低。由於在實驗過程中無法觀察到電極內部具體的傳質以及分布情況，因此弄清楚多孔電極內部電解液傳質輸運以及濃度分布情況對提升電池性能就尤為重要。圖2展示了在放電過程中，對於矩形、梯形和扇形三種電極結構，負極反應物（2,6-二羥基蒽醌）的濃度均勻性因子隨SOC的變化。從圖中可以得出，隨着SOC的降低，三種電極配置的濃度均勻性因子均有不同程度的降低。在相同SOC下，扇形多孔電極內電解液濃度均勻性因子最高，矩形多孔電極次之，而梯形電極結構濃度均勻性最差。當SOC=0.2時，扇形電極均勻性因子為0.965，梯形電極均勻性因子為0.930，矩形電極均勻性因子為0.918，扇形電極比梯形電極高了3.76%，比矩形電極結構提高了5.12%。在較低的SOC下，由於反應物濃度供給不足，導致電極內電解液呈現較弱的傳質輸運和濃度分布不均的現象，同時這種濃度分布不均勻差異化也更加顯著。在同等條件下，扇形電極可以提高低SOC下電解液濃度分布的均勻性，具有增強傳質輸運和濃度分布均勻性的作用。

圖2. 矩形、梯形和扇形電極電解液濃度均勻性因子值

電池效率是重要的參數，因為它關係到電池能量轉化以及經濟性的問題，考慮到泵功率損失。因此本文分析了矩形、梯形和扇形三種電極結構下電池基於功率的效率。圖3展示了電解液流量為3 mL/s時矩形、梯形和扇形電極結構電池基於功率的效率。可以看到在整個SOC周期，三種結構的功率效率都是先增加而後降低，在0.5SOC~0.7SOC之間基於功率的效率有最大值，例如當SOC=0.6時，扇形電極、矩形電極和梯形電極的功率效率分別為92.5%、91.8%和91.6%。在整個放電過程中，扇形電極結構電池的功率效率是最高的，明顯高於矩形電極和梯形電極結構電池的功率效率。

圖3. 矩形、梯形和扇形電極結構基於功率的效率

圖4. 不同開合角下的反應物/產物比和電極電流密度

此外，該文還進一步探討了扇形開合角對電池性能的影響，圖4給出了不同開合角下電極內反應物（2,6-reDHAQ）和產物（2,6-DHAQ）的平均濃度和電極電流密度。從圖中可以看出，放電過程中當扇形電極開角為90°時，反應物的平均濃度最低，產物的平均濃度最大，此時電極電流密度最低。隨着扇形電極開角從90°減小到10°，反應物的平均濃度從172.3 mol/m3增加到177.1 mol/m3。此時反應產物的平均濃度從27.7 mol/m3下降到23 mol/m3，同時電極電流密度有明顯增加。此外，隨着扇形電極開合角度的不斷減小，反應物與產物的濃度差也在不斷縮小，電極電流密度從38.9 A/m2增加到66.7 A/m2，增幅達71.5%。