什么是钒氧化还原液流电池？它比锂电池寿命更长吗？
来源：宝鄂实业
2019-08-14 20:49
点击量：次
VRFB 是一种可充电的液流电池，由一个离子交换膜组成，该离子交换膜可将正负极电解液分隔开。通常，该膜只允许质子在两个隔室之间移动。
在电池充电期间，正极电解液中的钒离子会被氧化并失去电子。同时，负极电解液中的钒离子会被还原并获得电子。电子通过外部电路从电池的正极移动到负极。充电时，必须施加电压来驱动电子流经电路——通过该电压输入电池的电能，能够引起氧化和还原反应，从而被转换成储存在外储槽中的化学势能。然后，在放电期间，这种反应便自发地朝着相反方向进展，同时相应的电流可用来提取存储的能量。
因为钒在溶液中能以不同的氧化态存在，所以钒是用于电池中的化学元素的较好选择。通过在两个槽中使用钒，VRFB还能避免交叉污染问题，而这一问题会在其他的氧化还原液流电池（redox flow batteries，RFB）中出现。
研究 VRFB 的实验室可能包括装满不同氧化态钒的彩色烧杯。
锂离子电池是消费者和其他小型应用场合中常用的可充电电池。但对于大规模应用来说， 与锂离子电池相比，VRFB 具有一些自身优势：
更容易扩展
寿命更长
能够持续运行 20 年或更长时
VRFB 不会引发火灾，安全性高
通过使用更大的电解液储槽，VRFB 还可提供近乎无限的能量容量，并有潜力储存数百兆瓦时的能量。
这些优点意味着工程师可将 VRFB 用于大规模储能，有助于提高电网的稳定性。稳定性提高的原因在于：电池通过快速接入储存的电力，从而在高峰时期能够应对需求的大幅增长。
VRFB 与风能和太阳能等可再生能源相结合会大有用途，然而这些可再生能源存在间歇性问题。例如，只有在刮风时才会产生风力，但无风时我们仍需要能源。当可再生能源无法提供电力时，VRFB 可通过廉价储存多余的能源以供日后使用，从而有助于平衡可变产量。通过与液流电池相结合，可再生能源可提供不间断的能源供应，使其更加可靠。
通过仿真对 VRFB 进行研究和优化
为改进 VRFB 并解决其存在的一些缺陷，如低能量密度和功能温度范围，工程师可使用 COMSOL Multiphysics® 软件来进行优化。例如， 西安交通大学的研究人员建立了一个三维 VRFB 模型，以此来分析在 VRFB 运行过程中的流体压力、电势、电流密度和过电势。他们的模型旨在分析输运问题和反应动力学，以及初始边界条件和基本假设，并希望其模型可用来改进 VRFB 的设计，从而拓宽系统运行条件。
蛇形流场（左）和无流场（右）的压力分布。图像取自Wang Q，Jiang Z，Lu D and Qu Z于COMSOL 用户年会 2015 北京站发表的海报。
美国卓克索大学的研究人员使用仿真技术来解决 VRFB 中的交叉问题，这一问题发生于电池运行期间，由钒离子本身穿过离子交换膜而产生。这个过程消耗了储存的化学能，同时又无法给电路提供任何功率，因此成了影响系统效率和长期充电/放电稳定性的主要限制因素。
为准确评估交叉如何影响 VRFB 性能，该团队利用 COMSOL Multiphysics 创建了一个电化学模型。他们的仿真结果与实验数据实现了较好吻合，并且该模型能成功分析膜和电极中物质浓度、电位和反应的瞬态特性以及空间分布。
当然，这些只是 VRFB 建模的个别例子。为进一步研究这种大有前景的液流电池，我们可以基于已发表过的作品使用一种简化模型。
用 COMSOL Multiphysics® 模拟钒氧化还原液流电池
一个简单的二维 VRFB 实例可由离子交换膜组成，该离子交换膜将两个具有不同电极反应和离子成分的电池隔室分开。因此，该模型有三个域：
离子交换膜
负极多孔电极，充满了含有 H+ 离子、HSO 4– 离子、SO 42-离子、V 3+离子和 V 2+离子的负极电解质
正极多孔电极，充满了含有 H +离子、HSO 4–离子、SO 42-离子、VO 2+离子和 VO 2+ 离子的正极电解质
VRFB 模型几何显示了三个不同的域。
运行该模型时，我们会向电池的每一侧输送由硫酸和钒氧化还原对组成的电解液流。液体以恒定速度沿 y 方向进入电池底部，并流经多孔电极，在膜两侧的两个半电池中平行流动，然后从顶部边界离开电池。
当给定一组进口浓度和电极间的电负载条件时，我们可以使用该模型求解稳态情况。在该示例中，液流电池处于放电模式下的运行状态，此时集流体处的平均电流密度为100 mA/cm 2。
有关设置和解决此示例的更多详细信息，请查阅 钒氧化还原液流电池教程的模型文档。
