液流电池多孔电极内局部电流密度分布特性和均匀化策略研究
批准号:
52106265
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
蒋浩然
依托单位:
学科分类:
可再生能源与新能源转化利用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
蒋浩然
中文摘要
提高液流电池的充放电性能和循环寿命是降低其成本的关键方式和推动其大规模商业化应用的必经之路,因此成为了该领域长期以来不懈追求的目标。然而,液流电池的性能目前受制于局部电流密度在多孔电极内的不均匀分布,造成了电极利用率低、局部过电位高、副反应严重等问题。为了解决这个问题,本项目拟开展对液流电池多孔电极内局部电流密度分布特性和均匀化策略的研究。首先,开发活性物质传输、质子传输、电子传输与电化学反应相耦合的跨尺度模拟程序,阐明制约局部电流密度均匀分布的关键因素;其次,搭建局部电流密度跨尺度在线可视化表征平台,揭示多孔电极内传输性能与电化学性能的相互作用机制;最后,根据对局部电流密度分布特性的理解,发展基于三级梯度结构设计的局部电流密度分布均匀化策略。研究成果将推动高充放电性能和长循环寿命液流电池的开发,促进间歇性可再生能源的利用和分布式能源系统的发展。
英文摘要
Increasing charge-discharge performance and prolonging cycle life are effective to reduce the capital cost of redox flow batteries and enable their widespread adoption for large-scale energy storage, and thus are the long-term target pursued by this research field. However, the performance of redox flow batteries is greatly limited by the non-uniform distribution of local current density in porous electrodes, leading to low electrode utilization, high local overpotentials, and severe side reactions. To address this issue, this project aims to unravel the distribution characteristics of local current density and develop the corresponding homogenization strategies in the porous electrodes of redox flow batteries. Firstly, to elucidate the key factors limiting the homogenization of local current density, multiscale modeling incorporating electroactive species transport, proton transport, charge transport, and electrochemical reactions will be developed. Then, the cross-scale in-situ visualization platform for detecting local current density will be built to reveal the interaction mechanism between transport performance and electrochemical performance in porous electrodes. Finally, based on the local current density distribution characteristics, a triple-level gradient structure design strategy will be developed to promote the uniform distribution of local current density in porous electrodes. Results reported in this project will contribute to the development of redox flow batteries with high charge-discharge performance and long cycle life, which can promote the utilization of renewable energy and the development of distributed energy systems.
液流电池多孔电极内的局部电流密度分布特性对其充放电性能和循环寿命有着重要影响,如何调控局部电流密度分布更是领域内亟待解决的关键问题。本项目从多孔电极内活性物质传输、电子传输、质子传输和电化学反应相耦合的交叉视角出发,探究了多孔电极内局部电流密度分布特性和限制其分布均匀性的关键因素,提出了局部电流密度的均匀化提升策略,按照预定目标完成了项目指定的研究内容。具体包括:(1)构建了多物理场耦合模型,研究了传输特性与电化学反应之间的耦合机制,阐明了液流电池关键参数对局部电流密度均匀分布的影响规律;(2)搭建了液流电池局部电流密度在线可视化表征平台,研究了不同电极结构、装配策略、运行工况等对局部电流密度分布均匀性的影响,明晰了不同荷电状态下局部电流密度的变化特性;(3)开发了强化离子传输的复合多孔电极,设计了新型回转蛇形流道结构、梯度流道结构,促进了局部电流密度在面内方向的均匀分布,提出了高性能液流电池流道从实验室级别到电堆级别的无损放大方法。通过本项目的实施,在Nature Communications、Advanced Functional Materials等期刊发表SCI论文10篇,申请/授权国家发明专利10项、软件著作权2项,依托本项目与企业签订技术开发/服务合同6项并承担了天津市首个百千瓦级液流电池长时储能应用示范,在国内外学术会议作报告11次,培养博士研究生2人、硕士研究生4人。
国内基金
海外基金