電流密度和溫度對釩電池性能的影響

田 戈，張中洋，賈明波，李 娟

(承德萬利通實業(yè)集團有限公司，河北承德067000)

電流密度和溫度對釩電池性能的影響

田 戈，張中洋，賈明波，李 娟

(承德萬利通實業(yè)集團有限公司，河北承德067000)

全釩氧化還原液流電池以其眾多的優(yōu)點日漸成為研究熱點。應(yīng)用自制膜，自主組裝了10電池電堆進行測試，測試過程中單電池電壓不高于1.7 V，采用恒流模式研究了不同電流密度對電堆充放電性能的影響，并進行了原因分析。在最佳電流密度57.9 mA/cm2條件下，研究了電池運行溫度對電解液利用率的影響。

全釩氧化還原液流電池；電流密度；循環(huán)效率；溫度

全釩氧化還原液流電池(以下簡稱為釩電池)是一種新型的化學(xué)儲能電池，具有大功率、大容量、高效率、瞬間響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在電網(wǎng)調(diào)峰、市政交通、分布式電站建設(shè)等多個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

在整個釩電池系統(tǒng)中，電解液作為能量的存儲場所，而釩電池則是能量的轉(zhuǎn)化場所，正、負極電解液分別為含有V(Ⅳ)/ V(Ⅴ)及V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化還原電對的硫酸溶液，正、負半電池由阻釩性能、電導(dǎo)率性能優(yōu)良的膜材料隔開，充放電過程中，氫離子透過隔膜在正半電池與負半電池之間定向移動。釩電池原理如下所示[5]：

本文采用自制質(zhì)子傳導(dǎo)膜，自組裝多電池電堆，采用恒流控壓方式，研究了電堆測試溫度、充放電模式等因素對電堆循環(huán)效率和電解液利用率的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

1.1.1 釩電堆主要部件

本文中選用自制質(zhì)子傳導(dǎo)膜[6]作為電池隔膜，4 mm厚碳氈作為電極材料，集流板則采用改性柔性石墨。由密封件、板框、端板、電極、隔膜、集流板等部件組成單電池，再將多個單電池串聯(lián)組成電堆。本自組裝電堆共計10電池，有效電極面積為484 cm2，組裝過程如圖1所示。

圖1 電堆組裝過程

1.1.2 電解液

1.2 測試方法

1.2.1 不同電流密度的充放電循環(huán)實驗

圖2 電池系統(tǒng)

控制溫度在25～30℃范圍內(nèi)，采用恒流充放電循環(huán)測試，測試過程中電解液流速保持恒定值，單電池電壓最高不超過1.7 V，充放電電流密度分別設(shè)置為41、49.6、57.9、66.1、74.4 mA/cm2，實驗數(shù)據(jù)通過循環(huán)充放電測試儀進行記錄。

1.2.2 溫度對電堆運行效率及充放電容量的影響

為了測試對電池充放電性能的影響，將溫度控制在安全區(qū)間(15～35℃)內(nèi)，改變溫度高低，進行電池恒流、控制端電壓模式充放電實驗，實驗過程中采用57.9 mA/cm2的電流密度，由循環(huán)充放電測試儀進行數(shù)據(jù)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電流密度下電堆運行效率

圖3所示為電堆在41、49.6、57.9、66.1、74.4 mA/cm2電流密度下的充放電循環(huán)效率，測試過程中發(fā)現(xiàn)，逐漸增加電流密度，電堆的電流效率增加，而電壓效率則降低，這是由于隨著電流密度的增加，使得充放電循環(huán)時間縮短，相應(yīng)的，充放電過程中的自放電反應(yīng)、副反應(yīng)以及短路電流的影響時間同樣縮短，電能損失減少，電流效率上升，然而電池的極化效應(yīng)同樣隨著電流密度的增加而逐漸增大，導(dǎo)致充放電過程中電壓效率逐漸降低，最終使得能量效率降低。

圖3 不同電流密度下電堆的循環(huán)效率

2.2 不同電流密度下電堆的能量衰減

釩電池的理論瓦時能量是基于電解液中的活性物質(zhì)數(shù)量而進行定義，用Wh表示。

式中：F為法拉第常數(shù)；n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)；moles為釩離子的物質(zhì)的量；V為電壓。

圖4 不同電流密度下充放電能量對比

由圖4可以看出，在不同的電流密度下，電堆運行過程中充入和放出的能量有明顯差異，即隨著充放電電流密度的逐漸增大而呈現(xiàn)衰減趨勢，這是因為電流密度增大，電池的極化現(xiàn)象不斷加劇，導(dǎo)致電池容易達到充(放)電電壓上(下)限，縮短了充(放)電時間，充入的能量和放出的能量減少，電解液的利用率降低。

通過以上測試，綜合考慮不同電流密度下的電堆循環(huán)效率、電解液的利用率、電堆材料及膜的性能等因素，選擇57.9 mA/cm2作為最佳電流密度。

2.3 溫度對電池充放電能量的影響

溫度對電堆充放電能量有較大影響，如圖5所示，其中，A點與C點溫度較高，B點與D點測試溫度較低。溫度較高時，電堆正負極反應(yīng)活性增大，電池極化效應(yīng)降低，電池充入的容量與放出的容量均較高，電解液利用率較高，相應(yīng)溫度較低時，電解液利用率較低。在實際電堆運行過程中，溫度的波動對電池的檢測極為不利，若溫度過高，會導(dǎo)致正極一側(cè)5價釩的析出以及電堆出現(xiàn)外漏，對電堆造成致命性損毀；溫度過低，則容易引起負極側(cè)釩離子的析出，電解液利用率下降，同時，溫度的波動會導(dǎo)致電堆充放電循環(huán)中效率出現(xiàn)波動起伏，影響電堆性能的評估。

圖5 溫度對電堆充放電能量的影響

3 結(jié)論

(1)隨著充放電電流密度的增大，電堆的電流效率升高，反之則電壓效率降低。然而，隨著電流密度的增大，電池的極化效應(yīng)增大，導(dǎo)致電解液的利用率呈現(xiàn)降低的趨勢，因此，在進行不同電堆測試時，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的電流密度。

(2)在合適的電流密度下，可以通過降低短路電流、自放電反應(yīng)等方式提高電流效率，同時可以通過降低歐姆內(nèi)阻和極化損失等方式來提高電壓效率，從而得到較高的能量效率。

(3)在電池測試過程中，尤其要注意溫度的控制，溫度不穩(wěn)定會造成電池循環(huán)效率出現(xiàn)高低起伏。溫度過低會使電解液利用率降低，同時會引起負極側(cè)電解液釩離子析出的危險；溫度過高，一方面會造成正極一側(cè)的五價釩離子析出，另一方面可能會引起板框變形等問題，對電堆造成致命損壞，所以需要將電堆運行溫度控制在合理的范圍內(nèi)，從理論及經(jīng)驗上看，一般控制在25～40℃較為合適。

[1]陳金慶，汪錢，王保國.全釩液流電池關(guān)鍵材料研究進展[J].現(xiàn)代化工,2006,26：21-24.

[2]張華民，張宇，劉宗浩，等.液流儲能電池技術(shù)研究進展[J].化學(xué)進展,2009,21(11)：2333-2340.

[3]常芳，孟凡明，陸瑞生.釩電池用電解液研究現(xiàn)狀及展望[J].電源技術(shù),2006,30(10)：860-862.

[4]李文躍，魏冠杰，劉建國，等.全釩液流電池電極材料及其研究進展[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2013,2(4)：342-348.

[5]AARON D,TANG Z J,PAPANDREW A B,et al.Polarization curve analysis of all-vanadium redox flow batteries[J].J Appl Electrochem,2011,41:1175-1182.

[6]劉平，青格樂圖，王保國，等.質(zhì)子傳導(dǎo)膜制備方法放大與膜性能表征[J].膜科學(xué)與技術(shù),2012,32(2):24-35.

Effects of current density and temperature on performance of vanadium battery

TIAN Ge,ZHANG Zhong-yang,JIA Ming-bo,LI Juan
(Chengde Wanlitong Industrial Group Co.,Ltd.,Chengde Hebei 067000,China)

Vanadium redox flow battery is becoming a focus due to its advantages.A 10-cell stack with self-made film was assembled and tested by using constant current charge-discharge mode.During the test,the single cell voltage was less than 1.7 V.The effects of the charge-discharge current density on the performance of stack during charge-discharge process were studied and the reasons were analyzed. Under the best current density of 57.9 mA/cm2,the utilization of the electrolyte at various operating temperatures was also studied.

vanadium redox flow battery;current density;cycle efficiency;temperature

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1702-02

2015-01-20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (“863”計劃)項目(2012AA051203)

田戈(1985—)，女，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士，工程師，主要研究方向為儲能電池。