近日，南方科技大学机械与能源工程系赵天寿院士、魏磊副教授在液流电池强化传质方向取得进展，相关论文以“Dead-zone-compensated design as general method of flow field optimization for redox flow batteries”在美国科学院院刊（PNAS）发表。该工作突破了以往流场设计的固有思路，发展针对液流电池传质真空区域检测与调控的新方法，使得液流电池能量效率和额定工作电流密度等关键指标显著提升。

液流电池内部传质真空的现象已经被发现和报道，但由于涉及到多部件、跨尺度和多物理场耦合过程，其形成机理尚未被系统性地分析和讨论。复杂的物质传输和耦合反应的过程使得多孔电极表面活性物质分布难以各处均匀，以活性物质的对流通量作为评价指标时，通常能够发现传质真空区域与液流电池流场结构设计、流道内的水力压力、肋下流强度等具有强关联性（图1）。在明晰液流电池内涉及传质真空区域形成的多部件、多尺度、多物理场耦合过程后，本研究提出了一个用于液流电池的检测与调控的通用性设计方法（图2）。

图1 液流电池内电解液的流动与传质真空区域的形成

图2针对已有流场设计的真空区域检测与调控工作流程

根据上述方法，本研究以全钒液流电池为例，搭建了以钒离子作为活性物质的三维多物理场数值仿真模型和实验平台，进一步验证检测与调控效果。三维计算流体力学仿真结果显示传统蛇形流场和文献报道的改进蛇形流场中均存在低压力差区域，而在迭代优化后，调控设计将显著提升相邻流道压力差（图3）。三维多物理场仿真结果显示，相应区域的电解液流速和活性物质浓度显著增加（图4）。

图3调控前后的流道内水力压力分布

图4调控前后的电解液流速与活性物质浓度分布

在此基础上，液流电池的电化学性能可以通过对比多个关键指标进行量化验证。在放电过程中的负极侧，多孔电极中的活性物质平均浓度和分布均匀性系数的提升是传质真空区域得到调控的有力证据（图5）。与此同时，调控设计的流场会一定程度的增加压降从而牺牲一部分的泵功。充放电曲线和能量密度曲线对比了调控前后的电池容量保持率和能量效率，在80%能量效率下的最大工作电流密度达到了205mA cm-2 （图6）。

图5调控前后数值仿真的电池性能

图6调控前后实验验证的电池性能

以上结果从理论、仿真和实验等方面充分验证了所提出的所提出方法的有效性。除此之外，该设计方法具有通用性，可以被迁移和应用于其他流场图案中。在相同的电解液流量下，以能量效率和泵功损耗修正的系统能量效率作为评价指标，引入调控设计能够分别实现能量效率3.1~4.6%和2.7~4.3%的提升（图7）。

图7真空区域检测与调控通用方法应用于不同流场图案

这项工作关注液流电池中普遍存在的传质真空区域的现象，揭示了流场设计与传质真空区域形成原因及影响规律，从多部件、多尺度和多物理场的耦合机理出发，提出了检测与调控的通用方法。将三维多物理场耦合数值仿真模型与实验分析相结合，调控设计对液流电池性能的提升作用得到了全面验证，有极大潜力被应用于大面积液流电池堆设计中。

赵天寿院士和魏磊副教授为论文共同通讯作者，机械与能源工程系2022级博士生潘律名与访问学者孙静为共同第一作者。南科大为论文第一单位。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会和中盐盐穴综合利用股份有限公司的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305572120 

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