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液流电池效率分析及提升手段措施（实验设计方面）
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一、库伦效率 在做库伦效率分析前，需要明确影响库伦效率的副反应、自放电以及漏电电流等几个因素所占的比例，才能明确最有效的提升手段和措施。在几个因素中，我们可以通过改变组装电池的材料、测试流程或条件来进行定量分析各因素所占比例，在试验设计中，我们需要通过其他测试结果辅助证明我们此部分的测试结果分析，库伦效率影响最大的是电池容量，那么容量衰减就是我们的主要辅助测试手段。比如可以可通过设置不同充电截止电压，来考察由于副反应造成的库伦效率损耗，在此测试中，需要考虑电解液流速，电解液在电极上的更新速度是否能够跟上电极上的反应速度，同时我们需要明确电池的副反应主要是由于那部分造成的；自放电主要是由于隔膜的活性离子渗透造成的，在这部分测试中，我们需要与隔膜的离子渗透率相结合，目前工程上应用最多的是全氟质子膜，存在离子渗透率、水迁移大等问题，但全氟质子膜导电性较好，尤其在高电密下，其性能更能反映出隔膜的性能。在影响库伦效率因素中，漏电电流是比较难进行定量测试的，对此部分涉及仿真模拟以及结构分析，在此不做详细解读。 影响库伦效率的因素进行定性定量分析后，我们就可以对提升手段做针对研究。提升途径主要有1）电极，提高电极导电性及电化学活性，改进电极结构或亲水性；2）双极板，提高双极板导电性，增加双极板与电极的接触面积，进而降低接触电阻，如一体化电极，此种途径需要确定副反应是由于电池内阻大，导致副反应的发生；3）隔膜，在不大幅降低隔膜导电性的同时，降低隔膜活性物质渗透率和透水率，或通过优化电池运行条件，降低透水率和离子渗透率；4）结构，优化液流框、管路等流道结构，降低由于电解液回路形成的离子通道、单体与电解液流道形成的电子离子通道等造成的自放电；优化电堆串并联结构，降低由于电堆与电堆间形成的电子通道造成的自放电。 二、电压效率 所有影响电池内阻的因素都会涉及电压效率，由于涉及因素太多，电压效率的定量分析就比较繁琐有难度，针对此种情况，外部因素建议从材料、结构、运行条件等入手。在考察材料特性时，可以在低电密下进行，若低电密下，电压效率就较低，考虑电极活性、电解液在电极上的均匀性、双极板导电性（主要是塑料双极板）等，在高电密下，可以结合电解液利用率、电池内阻等对材料进行考察，由于高电密下对材料、结构要求较高，不建议在不确定结构影响的情况下，在高电密下考察材料性能。对于结构影响电压效率，主要是从电解液均匀性和流速角度进行考虑，在结构设计中，需要注意流阻、压降与泵损耗的关系。对于液流电池运行条件，如泵速，需要与运行功率关联，从系统层面考虑电压效率；最优运行SOC范围，需要考虑正负极电解液体积和价态的平衡状态，同时SOC的检测精准度也需要与电解液状态相关联。 对于电压效率的影响，我们选取一个影响因素进行多方面分析后，就可以确定提升手段，1）电极，提高电极电化学活性，降低电化学极化，提高电极亲水性和孔隙率，降低浓差极化，尤其在高电密下，电化学极化占比越来越大，浓差极化，我们可以通过提高电解液流速来降低，但降低电化学极化就必须提高电极电化学活性，需要注意的是，在改善修饰电极活性时，不要降低电极的导电性；2）隔膜，隔膜导电性的差异，主要差别在高电密下，目前应用的全氟隔膜，低电密下，隔膜的导电性差异，在电池中体现不是很明显；3）双极板，双极板的导电性需要考虑导电性的均匀性，尤其是复合双极板，还需要考虑耐压、透气率等参数；4）接触电阻，目前降低接触电阻主要是增大电极的压缩，但是随着电极压缩的增大，电极的孔隙率会降低，碳纤维的脱落率会增大，从降低接触电阻的角度出发，一体化电极是可行方案。5）电解液，降低电解液粘度、提高电解液利用率。 |
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 液流电池flow battery |
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