可扩展的、梯形肋状结构、分体蛇形流道设计，用于提升钒氧化还原液流电池的能量效率

《Journal of Energy Storage》：Scalable, trapezoid-ribbed, split-serpentine flow channel for enhancing energy efficiency of a vanadium redox flow battery

液流电池中通过优化流道设计降低泵送能耗，改进的MSCS流道使压力降降低70%，电化学性能提升，iR-free功率密度达700mW/cm2。

　　本研究聚焦于提升液态电解质能源设备的能效，重点探讨了通过优化流道设计来降低电解液泵送过程中的能量损耗。随着可再生能源（如太阳能、风能和潮汐能）的广泛应用，这些能源形式的间歇性和不可预测性对电网的稳定性构成了挑战。因此，需要开发高效的储能技术，以确保能源的稳定供应和高效利用。在这一背景下，氧化还原液流电池（Redox Flow Battery, RFB）因其可扩展性、快速响应能力和长寿命等优势，成为一种极具前景的储能方案。其中，钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery, VRFB）因其高效率和较低的环境影响，被广泛认为是实现能源存储与转换的理想选择。

VRFB的工作原理基于两个电解液储罐中的钒离子（V(V)/V(IV) 和 V(III)/V(II)）之间的氧化还原反应。通过泵送电解液进入电池的流道系统，这些电解液在电极表面发生反应，从而实现电能的存储与释放。然而，流道设计对电池性能具有重要影响。传统流道设计中，由于流体在流道中的分布不均，可能导致部分电极区域的电解液接触不足，进而影响反应效率和电池寿命。此外，流道中的弯曲、扩张和收缩等结构也会造成压力损失，增加泵送能耗。因此，优化流道结构，提高电解液的分布均匀性，同时降低泵送能耗，成为提升VRFB性能的关键方向。

在本研究中，科学家们提出了一种改进的流道设计，即“改进型分段传统蛇形流道”（Modified Split Conventional Serpentine, MSCS）。该设计基于传统蛇形流道（Conventional Serpentine, CS）和分段传统蛇形流道（Split Conventional Serpentine, SCS）的结构，通过两个关键改进实现了性能提升。首先，将传统流道中的进液口和出液口从角落位置调整到流道板的顶部和底部中心。这一改动有助于减少流体在流道中的路径长度，提高电解液在电极表面的覆盖率，从而增强电化学反应的均匀性。其次，将传统流道中的矩形肋条改为了梯形肋条。梯形肋条的设计在保持流体流动阻力的同时，降低了整体的损失系数，从而有效减少了泵送过程中的压力损失。

为了验证这些改进的效果，研究人员对MSCS流道进行了系统的水动力学和电化学测试。水动力学测试中，通过测量不同流速下的压力损失，评估了流道的流体阻力特性。测试结果表明，在50 mL/min的流速下，MSCS流道的压力损失相比传统设计减少了约70%。这一显著的降低主要归因于梯形肋条对流体流动的优化，使得流体在流道中的流动更加顺畅，减少了因结构变化带来的额外阻力。同时，研究人员还通过欧拉数（Euler number）和雷诺数（Reynolds number）对压力损失进行了进一步分析，发现压力损失与流速之间存在线性关系，这为流道设计的优化提供了理论依据。

在电化学测试方面，研究人员通过极化曲线和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）分析了MSCS流道对电池性能的影响。测试中使用的电解液浓度为0.5 M和1.5 M，分别代表低浓度和高浓度的电解液环境。实验结果表明，改进后的MSCS流道能够显著提升电池的无iR损耗功率密度，使其超过700 mW/cm2。这一结果意味着，在相同的泵送条件下，MSCS流道能够实现更高的能量输出，同时减少因电解液分布不均导致的性能下降。此外，电化学测试还揭示了MSCS流道在提升电解液覆盖度、降低质量传递阻力和优化电化学反应方面具有显著优势。

值得注意的是，研究人员在实验中还考虑了电极对压力损失的影响。在有电极的情况下，压力损失会增加，这主要是由于电极的疏水性以及电极在流道中的插入导致的额外阻力。通过将进液口和出液口移至流道板的中心位置，研究人员有效减少了电极对流道结构的干扰，从而降低了压力损失。这种设计不仅提高了电解液的分布均匀性，还减少了泵送过程中的能量消耗，使得整个电池系统在运行过程中更加高效和经济。

本研究的创新点在于，通过简单的几何结构调整，实现了流道性能的显著提升。这种改进不仅适用于VRFB，也可以推广到其他基于液态电解质的能源设备，如燃料电池和储能系统。研究团队强调，MSCS流道的设计理念来源于对流道结构与流体动力学之间关系的深入理解，以及对电化学反应过程的优化。通过调整流道的形状和位置，研究人员成功降低了流体流动的阻力，提高了电解液在电极表面的覆盖率，从而提升了电池的整体性能。

此外，研究还指出，流道的深度、宽度、肋条尺寸和弯曲形状等几何参数对电池性能具有重要影响。例如，较浅的流道可以提高电解液的覆盖效率，但会增加泵送能耗。因此，流道设计需要在这些参数之间进行权衡，以达到最佳的性能与经济性。研究团队通过实验和理论分析，验证了MSCS流道在这些参数优化方面的有效性。他们发现，MSCS流道在降低流体阻力的同时，能够维持较高的电解液覆盖度，从而在不牺牲电化学性能的前提下，显著减少泵送能耗。

在实际应用中，MSCS流道的结构简单且易于加工，这为其在大规模生产中的应用提供了便利。研究人员提到，这种改进设计可以适用于不同尺寸的电池模块，不仅适用于实验室规模的测试，也可以用于商业化生产。因此，MSCS流道有望成为未来VRFB和其他液态电解质能源设备的主流设计之一。通过减少泵送能耗和提高电解液分布效率，MSCS流道能够有效提升电池的整体能效，为可再生能源的高效存储与转换提供技术支持。

研究团队还提到，随着对流道设计的进一步探索，未来的优化方向可能包括对流道形状的多样化设计，以及对流道材料的改进。例如，使用更高效的材料来减少电极的疏水性影响，或者通过更复杂的几何结构来进一步优化流体流动。这些方向的研究将有助于进一步提升VRFB的性能，推动其在实际应用中的普及。

综上所述，本研究通过改进传统流道设计，提出了MSCS流道这一创新方案，显著提升了VRFB的能效和运行稳定性。研究结果表明，调整进液口和出液口的位置，以及改变肋条的形状，能够有效减少流体流动的阻力，提高电解液的覆盖度，从而优化电池的电化学性能。这一设计不仅在实验室环境下得到了验证，还具有良好的工程应用前景，为未来液态电解质能源设备的开发提供了重要的参考。