什么是釩氧化還原液流電池？它比鋰電池壽命更長(zhǎng)嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-14 20:49
點(diǎn)擊量：次
VRFB 是一種可充電的液流電池，由一個(gè)離子交換膜組成，該離子交換膜可將正負(fù)極電解液分隔開(kāi)。通常，該膜只允許質(zhì)子在兩個(gè)隔室之間移動(dòng)。
在電池充電期間，正極電解液中的釩離子會(huì)被氧化并失去電子。同時(shí)，負(fù)極電解液中的釩離子會(huì)被還原并獲得電子。電子通過(guò)外部電路從電池的正極移動(dòng)到負(fù)極。充電時(shí)，必須施加電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電子流經(jīng)電路——通過(guò)該電壓輸入電池的電能，能夠引起氧化和還原反應(yīng)，從而被轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)存在外儲(chǔ)槽中的化學(xué)勢(shì)能。然后，在放電期間，這種反應(yīng)便自發(fā)地朝著相反方向進(jìn)展，同時(shí)相應(yīng)的電流可用來(lái)提取存儲(chǔ)的能量。
因?yàn)殁C在溶液中能以不同的氧化態(tài)存在，所以釩是用于電池中的化學(xué)元素的較好選擇。通過(guò)在兩個(gè)槽中使用釩，VRFB還能避免交叉污染問(wèn)題，而這一問(wèn)題會(huì)在其他的氧化還原液流電池（redox flow batteries，RFB）中出現(xiàn)。
研究 VRFB 的實(shí)驗(yàn)室可能包括裝滿不同氧化態(tài)釩的彩色燒杯。
鋰離子電池是消費(fèi)者和其他小型應(yīng)用場(chǎng)合中常用的可充電電池。但對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用來(lái)說(shuō)， 與鋰離子電池相比，VRFB 具有一些自身優(yōu)勢(shì)：
更容易擴(kuò)展
壽命更長(zhǎng)
能夠持續(xù)運(yùn)行 20 年或更長(zhǎng)時(shí)
VRFB 不會(huì)引發(fā)火災(zāi)，安全性高
通過(guò)使用更大的電解液儲(chǔ)槽，VRFB 還可提供近乎無(wú)限的能量容量，并有潛力儲(chǔ)存數(shù)百兆瓦時(shí)的能量。
這些優(yōu)點(diǎn)意味著工程師可將 VRFB 用于大規(guī)模儲(chǔ)能，有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性提高的原因在于：電池通過(guò)快速接入儲(chǔ)存的電力，從而在高峰時(shí)期能夠應(yīng)對(duì)需求的大幅增長(zhǎng)。
VRFB 與風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源相結(jié)合會(huì)大有用途，然而這些可再生能源存在間歇性問(wèn)題。例如，只有在刮風(fēng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生風(fēng)力，但無(wú)風(fēng)時(shí)我們?nèi)孕枰茉础．?dāng)可再生能源無(wú)法提供電力時(shí)，VRFB 可通過(guò)廉價(jià)儲(chǔ)存多余的能源以供日后使用，從而有助于平衡可變產(chǎn)量。通過(guò)與液流電池相結(jié)合，可再生能源可提供不間斷的能源供應(yīng)，使其更加可靠。
通過(guò)仿真對(duì) VRFB 進(jìn)行研究和優(yōu)化
為改進(jìn) VRFB 并解決其存在的一些缺陷，如低能量密度和功能溫度范圍，工程師可使用 COMSOL Multiphysics® 軟件來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。例如， 西安交通大學(xué)的研究人員建立了一個(gè)三維 VRFB 模型，以此來(lái)分析在 VRFB 運(yùn)行過(guò)程中的流體壓力、電勢(shì)、電流密度和過(guò)電勢(shì)。他們的模型旨在分析輸運(yùn)問(wèn)題和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，以及初始邊界條件和基本假設(shè)，并希望其模型可用來(lái)改進(jìn) VRFB 的設(shè)計(jì)，從而拓寬系統(tǒng)運(yùn)行條件。
蛇形流場(chǎng)（左）和無(wú)流場(chǎng)（右）的壓力分布。圖像取自Wang Q，Jiang Z，Lu D and Qu Z于COMSOL 用戶年會(huì) 2015 北京站發(fā)表的海報(bào)。
美國(guó)卓克索大學(xué)的研究人員使用仿真技術(shù)來(lái)解決 VRFB 中的交叉問(wèn)題，這一問(wèn)題發(fā)生于電池運(yùn)行期間，由釩離子本身穿過(guò)離子交換膜而產(chǎn)生。這個(gè)過(guò)程消耗了儲(chǔ)存的化學(xué)能，同時(shí)又無(wú)法給電路提供任何功率，因此成了影響系統(tǒng)效率和長(zhǎng)期充電/放電穩(wěn)定性的主要限制因素。
為準(zhǔn)確評(píng)估交叉如何影響 VRFB 性能，該團(tuán)隊(duì)利用 COMSOL Multiphysics 創(chuàng)建了一個(gè)電化學(xué)模型。他們的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了較好吻合，并且該模型能成功分析膜和電極中物質(zhì)濃度、電位和反應(yīng)的瞬態(tài)特性以及空間分布。
當(dāng)然，這些只是 VRFB 建模的個(gè)別例子。為進(jìn)一步研究這種大有前景的液流電池，我們可以基于已發(fā)表過(guò)的作品使用一種簡(jiǎn)化模型。
用 COMSOL Multiphysics® 模擬釩氧化還原液流電池
一個(gè)簡(jiǎn)單的二維 VRFB 實(shí)例可由離子交換膜組成，該離子交換膜將兩個(gè)具有不同電極反應(yīng)和離子成分的電池隔室分開(kāi)。因此，該模型有三個(gè)域：
離子交換膜
負(fù)極多孔電極，充滿了含有 H+ 離子、HSO 4– 離子、SO 42-離子、V 3+離子和 V 2+離子的負(fù)極電解質(zhì)
正極多孔電極，充滿了含有 H +離子、HSO 4–離子、SO 42-離子、VO 2+離子和 VO 2+ 離子的正極電解質(zhì)
VRFB 模型幾何顯示了三個(gè)不同的域。
運(yùn)行該模型時(shí)，我們會(huì)向電池的每一側(cè)輸送由硫酸和釩氧化還原對(duì)組成的電解液流。液體以恒定速度沿 y 方向進(jìn)入電池底部，并流經(jīng)多孔電極，在膜兩側(cè)的兩個(gè)半電池中平行流動(dòng)，然后從頂部邊界離開(kāi)電池。
當(dāng)給定一組進(jìn)口濃度和電極間的電負(fù)載條件時(shí)，我們可以使用該模型求解穩(wěn)態(tài)情況。在該示例中，液流電池處于放電模式下的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)集流體處的平均電流密度為100 mA/cm 2。
有關(guān)設(shè)置和解決此示例的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)查閱 釩氧化還原液流電池教程的模型文檔。
