蒽醌溴化氢液流电池创新实验答辩

1、本科生创新实验醌溴液流电池及其性能影响因素实验答辩姓名：程士坚姓名：程士坚指导指导老师：李昕老师：李昕Page 2研究背景研究背景液流电池液流电池的优点的优点液流电池液流电池应用方向应用方向响应响应速度快速度快风力发电风力发电低成本低成本安全性高安全性高可瞬间可瞬间充电充电寿命长寿命长效率高效率高容量大容量大功率大功率大军用蓄电军用蓄电分布电站分布电站UPS电源电源通讯基站通讯基站交通市政交通市政电网调峰电网调峰光伏发电光伏发电 能源和环境问题的日益加剧使得太阳能、风能等可再生能源发电技术进能源和环境问题的日益加剧使得太阳能、风能等可再生能源发电技术进入一个新的发展阶段。然而随着越来越多的可再

2、生能源嵌入智能电网，可再入一个新的发展阶段。然而随着越来越多的可再生能源嵌入智能电网，可再生能源的间歇性与电网稳定性的矛盾日益凸显。目前储能技术尚不成熟，成生能源的间歇性与电网稳定性的矛盾日益凸显。目前储能技术尚不成熟，成为新能源电网系统中的薄弱环节。开发安全、环保、低成本的储能电池是发为新能源电网系统中的薄弱环节。开发安全、环保、低成本的储能电池是发展可再生能源科技和改善电网稳定性的关键展可再生能源科技和改善电网稳定性的关键Page 3 实验实验原理与步骤说明原理与步骤说明1 对工作电流影响因素的研究对工作电流影响因素的研究 2 对转速影响因素的研究对转速影响因素的研究3摘要Page 4实验

3、目的 验证验证并解释电解液流率与充放电电流对液流电池装并解释电解液流率与充放电电流对液流电池装置置性能的性能的影响影响。研究主要性能参数如下：充放电循环曲线充电容量 放电中压充放电Coulomb效率 1Page 5电化学原理 本实验采用的蒽醌-溴液流电池只是将电解液活性物质进行了改进（一般来说是钒、铬等拥有多个高价态的有毒金属离子化合物），而主要原理仍是通过泵将储罐中的正负极活性物质运送至相应电极表面进行反应后再回到储罐中循环使用。 因此液流电池的含能物质是电解液中的活性物质而非普通二次电池是在电极表面或内部（典型的如钴酸锂、镧系储氢合金等），这个特性使得液流电池的容量不再受制于电极物质，只要

4、循环的电解液流足够多，理论上容量也会无限扩展。而且液流电池也具有循环性能好，可靠性安全性高等优势，所以成为了目前大型储能装置及电网调控系统的重点研究方向。1实验原理Page 6正极反应式正极反应式负极反应式负极反应式Br2+2e-2Br- E0=+1.065V蒽醌的氧化还原过程通过将一对醌羰基还原为羟基实现。1实验原理Page 7 质子交换膜：质子交换膜：由于正负极采用了不同的电解液体系，但仍需保证两极间的H+离子运输（酸性体系 蒽醌采用稀硫酸溶解，PH1），因此隔膜采用了常见的质子交换膜，可以选择性的透过H+ 。 传质机械：传质机械：采用的是非接触式的蠕动泵，具有可输送腐蚀性液体的优点。蠕动

5、泵的原理是运用一套摆线行星轮的转动，对耐腐蚀橡胶管内的液流进行不间断推挤，以此达到输送液流的目的，即工业上所谓的体积式泵。（如下图，行星轮顺时针旋转）装置原理蠕动泵原理示意图1实验原理 这种泵的特性是流体压强呈脉冲状变化，而不同于真空泵、离心泵等能够保持恒定的压强，但是这个特点对于本实验中的液流电池影响并不大，除此之外反而更有利于通过泵的转速计算流量（蠕动泵每转动一圈，所运送的液流体积是一定的，波动很小）Page 8为了将泵的转速与流量等价，对蠕动泵的运输能力进行了实际测量。以下表格为实测转速以下表格为实测转速-流量对应数据（每组为三次实验结果的平均值）流量对应数据（每组为三次实验结果的平均值

6、）1实验原理转速（rpm）流量（ml/min）458455102651207513685156Page 9 对于实验结果的检测，采用了LAND电池测试系统及配套软件。电池测试系统在试验中的作用相当于实际使用中的外电路荷载，可以对其设定需要的工作电压或电流，对本装置进行恒压或恒流充放电，并实时检测电路数据的变化，进而获得电池性能的参数和图线以供分析。1实验原理 左侧的界面中可以直观的看到充放电过程中电流/电压变化的曲线（充电电流大小为500mAh，充电终压为1.2v，放电终压为0.4v） 右侧面板中可以读出数据处理所需的充电容量、放电中压、效率等参数。Page 10装配液流电池装配液流电池测定不

7、同转速下的电池性能测定不同转速下的电池性能测定不同电流下的电池性能测定不同电流下的电池性能如图所示具体要求：在65rpm的转速下，通过改变充放电电流大小研究电池性能影响具体要求：在900mA固定充放电电流下，通过改变电解液流量研究电池性能影响1实验内容Page 112对电流影响性能的研究 对比65rpm转速下的300mA和900mA的充放电循环曲线（同样取第二个循环的数据）可以发现平台宽度下降明显（32min3.9min），充放电压平台间的压差也明显扩大（0.16V0.42V），曲线线型也变得更加不平缓，放电电压变得不稳定。 这些都说明工作电流密度上升会引起电池的极化现象，导致大电流下有很大部

8、分电压分摊给极化过电位极化过电位，导致了输出电压的损失。同时由于平台的缩短，电池放电时间减少，实际容量下降。Page 122对电流影响性能的研究 电流-容量变化曲线： 可见放电容量的下降趋势比较明显，而充放电效率普遍比较高，一般在95%以上。放电中压则较低于理论值，可认为这一现象由极化和欧姆压降导致。拟合曲线公式为 Q= 7417 I-0.65电流mA平均放电容量mAh放电中压V充放电效率%3001720.736795.75001260.673596.6700107.70.659898.290085.50.613499.11100720.597399.5Page 132对电流影响性能的研究 电

9、流-循环时间变化曲线： 二者关系为幂是-1.76的函数，在低电流强度区间（300-500mA）时下降明显。由 得理论推测的电流影响充电过程容量公式 系数的推导：2000000除以60（分钟转化为小时）再除以2（前者讨论的是循环时间，而充电时间近似为循环时间的一半。 可见当电流密度较大时，二者非常趋近，验证了“大电流密度导致的极大电流密度导致的极化现象会大幅缩短充放电时间，进而化现象会大幅缩短充放电时间，进而使容量下降使容量下降”这一观点；而在电流密度较小时偏差比较大可视为此时极化现象不严重，所以在此处充电时间t的变化不满足幂函数关系而近似线性关系（和Y轴必有交点），下降率不大，所以需用另外的公

10、式进行拟合。Page 142对电流影响性能的研究 电流-中压变化曲线： 放电中压也随电流的增加而下降，可推断电池内部产生了严重的极化现象，以极化电阻为主的内阻使得开路电压降低。 等效电路图： 分析原因是，大电流条件下电极极板传导电荷量增加，增大了电池的内电场强度，使参与反应的离子受电场力更容易扩散到电极表面，从另一方面提高了溶液中反应物的对反应的参与程度。另外充电深度低的情况下活性物质利用率高也有一定关系。电流电流- -效率曲线：效率曲线：Page 153对转速影响性能的研究转速rpm容量mAh放电中压V效率%4524.50.57965552.50.57397.86575.50.5769875

11、89.30.589598.58596.50.59698.4转速变化对电池性能影响数据表格：转速变化对电池性能影响数据表格： 对比45rpm和75rpm下第二周的循环曲线，可以看到中压压差未有明显变化，说明中压压差扩大与电流有关。平台区随转速增加趋于平缓平台区随转速增加趋于平缓，此时平台放电时间亦增加，即平台容量增加。Page 163中压随转速变化效率随转速变化容量随转速变化 转速容量之间呈近似线性关系，随着转速增大容量也越大，因此转速的提高是通过加强电解液和电极间的传质作用来提升容量，使反应更加完全（未反应的活性物质粒子数量变少）。但是也能发现在较高转速下增长趋势放缓，说明此时反应效率已趋近极限，电池容量不可通过提高转速而无限制提升。 转速对效率的提升影响较为明显，原因可能是流速的增加相当于对电解质溶液的充分搅拌，使得活性物质粒子充分反应参与充电与放电反应的粒子数量基本相抵但是当转速高于75rpm时，效率不再上升，说明此时搅拌作用的效果已经饱和。 转速对放电中压的提升效果不太明显，可认为图中显示的略微上升趋势是通过流速对电解液的搅拌作用，降低了扩散层厚度，从而提高了极限扩散电流密度jd对转速影响性能的研究Page 17总结对现实应用的指导意义： 液流电池在实际使用过程中，应规定适当的工作电流和转