丙三醇对钒液流电池电解液影响的交流阻抗研究

采用交流阻抗法研究了添加剂丙三醇对全钒氧化还原液流电池阳极电解液电极反应影响的内部作用机理。通过RS(Cd(RpW))形式的等效电路对其阻抗谱进行了较好的模拟解析，研究结果发现，随着丙三醇含量的依次增加，溶液电阻、双电层电容和极化电阻均出现最小值，浓差极化电阻出现最大值，此时添加量均为1%，说明含有一定量供电子基团结构的丙三醇能够有效结合钒离子，均匀分散于溶液中，使得溶液电阻降低，当钒离子结合丙三醇后体积增大，双电层电容距离增加，从而双电层电容降低，当钒离子结合丙三醇后更利于向电极表面吸附，提高阳极电解液的催化效率，加大了电极表面反应物浓度与本体溶液中的差值，使得浓差极化电阻增强，电极反应效率提高。     

全钒液流电池电解液流场结构优化设计

全钒液流电池电解液流场结构合理可使电流密度、钒电解液分布均匀,降低极化,提高电池性能。设计3种不同的电解液流场,研究流场结构对电池极化、充放电电流电压、功率密度和能量效率的影响。结果表明蛇形流场结构简单且易于加工,可使钒电解液均匀分布,增强电解液对流传质能力,能较充分利用钒电解液储能容量,电池的输出功率密度最高可达31.6 mW/cm2,与传统平行流场相比,电池电流效率提高13.9%,电压效率提高6.3%,能量效率提高14.8%,放电容量提高了35.3%。     

全钒液流电池电堆的均一性

全钒液流电池电堆的均一性直接影响到其寿命。本文从流道结构、运行参数等方面,系统探讨了影响全钒液流电池电堆均一性的各种因素。通过优化管路结构和液流框结构,提高了电堆的均一性,随支管管径不断减小,当主管与支管管径由4∶3减小到4∶1时,电堆进液流量标准偏差由0.039m/s降到0.001m/s,电堆进液流速均一性得到改善;通过优化液流框结构,使电堆单体电池电解液流量标准偏差由0.142m/s降到0.032m/s,改善了电堆单体电池均一性。电解液流量、充放电电流密度等运行参数影响全钒液流电池电堆均一性,对其进行了实验与分析,结果表明:电堆电压标准偏差随充放电电流增大而线性增大,其斜率与截距均与电解液性质、电极材料性质及表面结构等因素有关;电堆电压标准偏差随电解液流速的增大而减小,且在超过一定流量后不再变化,为全钒液流电池材料选型优化、结构优化及运行提供技术支撑。     

操作条件对质子交换膜燃料电池电化学阻抗动态行为的影响

应用交流阻抗谱法（electrochemical impedance spectroscopy,EIS）研究温度、湿度和阴、阳极过量系数4种操作条件对质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）电化学阻抗的影响,并应用复合阻容并联等效电路对实验结果进行等效拟合。实验结果表明,PEMFC单电池的电流密度为1400 mA/cm²时,阴极过量系数对PEMFC单电池高频阻抗的影响最大,温度和湿度次之,阳极过量系数影响最小;不同操作条件的改变对高频阻抗谱中的欧姆阻抗的影响非常小,主要通过影响阴阳极法拉第阻抗来影响PEMFC单电池的输出性能;等效结果和实验结果在不同频率段的阻抗表现出一致的变化规律,各阻抗的误差值能够控制在2mΩ以内,可以有效地等效替代实验结果。     

五氧化二钒电解制备全钒液流电池V3+电解液

电解液的质量直接决定了全钒液流电池的储电能力。为了降低全钒液流电池的生产成本,在国内首次采用流动型电解槽电解还原法,研究了采用相对廉价的五氧化二钒(V2O5)代替价格昂贵的硫酸氧钒(VOSO4)为原料制备全钒液流电池电解液的制备技术;研究了阳极电极材料、电解电流密度等对制备电解液的影响因素;并通过循环伏安、交流阻抗和充放电测试分析和比较由两种原料制备的电解液的电化学性能。实验结果表明:以Ru Ir/Ti为阳极,多孔铅板为阴极,3 mol·L-1 H2SO4为阳极电解液,1.5 mol·L-1 V2O5+3 mol·L-1 H2SO4粉末混合溶液为阴极电解液,40 m A·cm-2恒流电解得到的电解液不但具有良好的电化学活性和可逆性,且电流效率高和电能损耗低,完全可以满足全钒液流电池的工作需求。     

可溶铅酸液流电池模拟与仿真

可溶铅酸液流电池是一种使用单个容器存储电解液并且不需要微孔隔膜的氧化还原液流电池,这使得电池设计简单并降低了成本。建立二维暂态可溶铅酸液流电池模型,模型基于对质量、电荷以及能量的转移与守恒以及包含铅离子反应的宏观动力学模型为基础,研究了电极间隔、电极形状、电流密度、实验温度、入口电解液流速和电解质初始浓度对电池性能的影响。研究表明：与平板电极相比,弧形电极明显提高了充电时的电池电压。在影响铅酸液流电池性能的诸多条件中,电池温度和电流密度可能是优化电池性能的重要因素。     

应用于氧化还原电池的Fe3＋/Fe2＋电解液研究

以Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）为正极电解液的氧化还原电池,用循环伏安、交流阻抗、充放电等方法研究了在硫酸体系中的电化学行为.结果显示,Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）反应是准可逆过程,当硫酸的浓度为0.50 mol/L时,峰电流最大,Fe（Ⅱ）扩散系数Dc为2.276×10-6 cm2/s;在0.37 V下的电化学极化阻抗为2.238 Ω/cm2;与锌溶液组成电池,在20 mA/cm2进行循环充放电,充电电压在1.65 ～1.72 V,放电电压在1.11～1.25 V,电流效率为80％～97％,电压效率为65％ ～75％,能持续稳定循环110次.     

全钒液流电池储能系统最新研究进展

阐述了全钒液流电池结构、工作原理和优缺点,综述了学术圈及产业界针对全钒液流电池的电堆、电解液和电池管理系统等关键系统所开展的技术研究最新进展,指出通过提高电堆电密和电解液短流程制备技术,可有效降低液流电池成本。电解液制备流程的改进和降本将是下一步重点研究方向。     

铜离子注入（Ba1—xSrx）TiO3半导体陶瓷的交流阻抗特性

本文测量了铜离子注入（Ba(1－x)Srx）TiO3半导体陶瓷样品在25～180℃，10Hz～13MHz之间的交流阻抗。根据等效电路模型与阻抗谱的变化，分析了注入样品的晶粒电阻、晶界电阻及其对温度的依从位以及样品的PTCR特性。研究表明，注入剂量为6×1015ions／cm2时，可以提高材料的PTCR效应。此外，辅以XPS和阻温特性测量分析注入铜离子的状态及样品的PTCR特性。     

钒离子浓度对全钒液流电池极化分布的影响

基于物质传递方程、电荷传递方程和电化学动力学方程提出了浓差极化系数的概念,建立了全钒液流电池二维模型,利用有限元法研究了钒电池极化过程,并对电极区域极化的分布进行了定量评估。研究表明:增加钒离子浓度,电极表面和溶液本体浓度趋同,活化极化和浓差极化减小,这种现象在高电流密度下尤为明显;浓度的增加也使得浓差极化系数减小,物质传递的影响减小,浓差极化相对于整个极化影响越来越弱;从进口到出口,浓差极化系数逐渐增加;电极与集流体接触面的浓差极化系数比电极中间区域高得多。     

Conductive carbon-polypropylene composite electrodes for vanadium redox battery

Carbon-polymer composite electrodes have been developed and investigated for application in the vanadium redox flow battery. Electrical, electrochemical, physical and mechanical properties as well as chemical resistance and solution permeability of a wide range of carbon-polymer composite materials were evaluated. Volume resistivities as low as 0.21 cm were achieved with composites based on polypropylene, this being combined with excellent stability. Finally, the performance of a vanadium redox flow cell employing the best composite electrode was evaluated and voltage efficiencies as high as 91 % were achieved at a charge/discharge current density of 20 mA cm^–2.     

A comparison between flow-through and flow-by porous electrodes for redox energy storage

An economic comparison is made between electrode configurations for flow redox battery applications: (i) the flow-through configuration (current parallel to the fluid flow) and (ii) the flow-by configuration (current perpendicular to the fluid flow). Steady-state computer models are developed for each electrode system. These models are used to predict current density, cell voltage, and power density over a complete cycle (charge and discharge). The economic comparison is made by optimizing each configuration with respect to an objective function appropriate for redox battery applications. Only the variable costs are considered. The results of the optimization show that the flowbby configuration is superior. The flow-through configuration not only yields a lower return on investment, but it is impractical due to a requirement of extremely low flow rates (Re < 0.001). Its failure is due to current flow (and ohmic potential drop) in the same direction as the fluid flow.     

钒液流电池在不同温度下的充放电特性

利用10电池电堆考查了在15~35℃范围内温度对钒电池极化曲线、循环效率、充放电容量以及自放电性能的影响,并进行了机理分析,测试结果表明,在温度逐渐升高的过程中,除电流效率逐渐降低外,电压效率、充放电容量、自放电速率均逐渐升高,在实际应用过程中,应严格对温度进行控制以保证钒电池系统的稳定运行。     

全钒液流电池充电/放电过程模型

建立全钒液流电池充电/放电过程模型,描述钒离子在离子传导膜中渗透产生的自放电现象对电池过程影响,反映电解液中不同价态钒离子浓度随时间变化规律,以及电池开路电压、端电压的时间依存性。通过与实验结果对比,数值模拟与实验结果保持良好一致性,验证所发展的数学模型的有效性。利用数值模拟再现实验结果,研究了充放电电流与电池容量的关系。结果表明：电池容量随电流的变化存在峰值。所建立的全钒液流电池过程模型,为液流电池储能系统的设计和操作提供依据。     

钒液流电池变电流快速充电方法

  基于电池快速充电基本原理,采用了变电流间歇恒压充电方法,并结合正交试验方法,对自制单片钒液流电池进行了一系列的充放电测试,获得了最佳充电参数。结果表明：采用变电流间歇恒压充电方法,充电时间相比恒流恒压充电方法缩短近50%;且获得了大致相同的放电容量,放电比率为100%;多次充放电循环后,放电容量未见衰减,取得了良好充电效果。     

Chemical and mechanical degradation of sulfonated poly(sulfone) membranes in vanadium redox flow batteries

A sulfonated poly(sulfone) (S-Radel^®) membrane with high proton conductivity and low vanadium ion permeability showed high initial performance in a vanadium redox flow battery (VRFB) but suffered mechanical and chemical degradation during charge/discharge cycling. The S-Radel membrane showed different degradation behavior in flow cell cycling and ex-situ vanadium ion immersion tests. When the membrane was immersed in aqueous V⁵⁺ solution, the sample cracked into small pieces, but did not degrade to any measurable extent in V⁴⁺ solution. During charge/discharge cycling in the VRFB cell, the membrane underwent internal delamination, preferentially on the side of the membrane that faced the positive electrode. A vanadium-rich region was observed near the membrane surface that experienced delamination and Raman spectroscopic analysis of the degraded surface indicated a slightly depressed 1026 cm^?1 band corresponding to a loss in the sulfonate SO₂ stretch intensity. Even though the S-Radel membrane underwent severe mechanical damage during the flow cell cycling, significant chemical degradation was not obvious from the spectroscopic analyses. For the VRFB containing an S-Radel membrane, an increase in membrane resistance caused an abnormal voltage depression during the discharge cycle. The reversible increase in membrane resistance and severe mechanical degradation of the membrane during cycling may be attributed to repeated formation and dissolution of particles inside the membrane. The mechanical stresses imposed by the particles coupled with a small amount of chemical degradation of the polymer by V⁵⁺ ions, are likely degradation mechanisms of the S-Radel membrane in VRFBs under high state-of-charge conditions.