圖1a說(shuō)明了基本原理。VRFB由容量模塊和功率模塊組成，容量模塊可以通過(guò)增加電解液的體積和濃度來(lái)擴(kuò)展，功率模塊可以通過(guò)增加單個(gè)電池的數(shù)量和活性面積來(lái)擴(kuò)展。通常，單個(gè)電池集成電極、膜、雙極板、流場(chǎng)、集電板、端板和緊固件。VRFB的庫(kù)侖效率(CE)、電壓效率(VE)、能量效率(EE)、儲(chǔ)能容量、電解質(zhì)利用率(UE)和容量保持性能與充放電過(guò)程密切相關(guān)(圖1b)。這些參數(shù)是評(píng)價(jià)VRFB性能的重要指標(biāo)。電池效率的詳細(xì)描述見表1。

電池的效率與電解液流速和電池的輔助系統(tǒng)密切相關(guān)，電池的輔助設(shè)備包括循環(huán)泵和管道輸送系統(tǒng)。當(dāng)流速增加時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)變得更加明顯，導(dǎo)致EE更高。然而，泵功率損失的增加導(dǎo)致電池的SE降低。為了測(cè)量完整的充電循環(huán)，使用電池的效率，考慮系統(tǒng)的輸出和輸入。兩者之間的這種關(guān)系可以用來(lái)評(píng)估功能系統(tǒng)的性能。

圖2說(shuō)明了CE、VE、EE和SE之間的關(guān)系。CE受釩離子交叉、釩金屬沉淀、析氫析氧、自放電、電解液泄漏等內(nèi)部因素的影響。它還同時(shí)受到外界因素的影響，如流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和厚度，離子導(dǎo)電膜的滲透性和電導(dǎo)率，以及電極的壓縮比和孔隙率。VE受電池的濃度極化、激活極化、歐姆內(nèi)阻等內(nèi)部因素的影響。同時(shí)也受到電解液、離子導(dǎo)電膜、電極、雙極板等外界因素的影響。能效受能效和能效的共同影響。電池的SE由功率損耗EE決定，主要受電解液傳輸造成的功率損耗影響。

操作條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在充放電過(guò)程中，輸出電壓不僅受到OCV的影響，還受到由于施加電流而產(chǎn)生的電壓損失的影響。因此，單個(gè)電池的電壓可以表示為平衡電位和與電池內(nèi)部操作有關(guān)的過(guò)電位的總和。這包括OCV (EOCV)、歐姆極化(歐姆η)、活化極化(行為η)和濃度極化(con η)(圖3a)。

很明顯，極化現(xiàn)象導(dǎo)致VE降低。由圖3b可知，在放電階段極化降低了電池電位，而在充電階段，需要施加更高的電壓來(lái)克服極化并對(duì)電池充電。在沒有兩極分化的情況下，VE為100%。

用于研究工況對(duì)電池效率影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)如圖4a所示。該平臺(tái)由單個(gè)槽、正負(fù)側(cè)槽、循環(huán)泵、磁力攪拌器、管道系統(tǒng)和充放電測(cè)試儀組成，如圖4b所示。

截止電壓對(duì)電池效率的影響：

具有不同的充電/放電截止電壓可導(dǎo)致在負(fù)極處發(fā)生析氫、在正極處發(fā)生析氧反應(yīng)以及在正極處釋放。這可能最終導(dǎo)致電極的劣化。39圖5a顯示了三種不同截止電壓的充電/放電性能曲線。為了評(píng)估電池中副反應(yīng)的嚴(yán)重程度并檢查相關(guān)的內(nèi)阻和EE，在不同的截止電壓下進(jìn)行20次充電/放電循環(huán)。

膜厚度對(duì)電池效率的影響：

當(dāng)VRFB運(yùn)行時(shí)，正側(cè)和負(fù)側(cè)的釩離子相互穿過(guò)膜，在電池中引起自放電反應(yīng)。因此，離子傳導(dǎo)膜必須能有效防止釩離子交叉，提高電池的EE。選擇合適的離子傳導(dǎo)膜對(duì)電池在運(yùn)行過(guò)程中的性能有很大影響。這項(xiàng)工作比較和分析了使用四種不同離子傳導(dǎo)膜厚度的VRFB的性能。實(shí)驗(yàn)中使用的Nafion膜由于其高導(dǎo)電性和長(zhǎng)壽命而備受關(guān)注。本文研究的四種商用離子傳導(dǎo)膜是Nafion 117、Nafion 115、Nafion212和Nafion211，其厚度分別為183μm、127μm、50μm和25.4μm。

如圖7a-7d所示，充電/放電的直流內(nèi)阻隨著離子傳導(dǎo)膜的厚度而增加。在相同的電流密度和流速下，四種離子傳導(dǎo)膜的EE逐漸減小，而相應(yīng)的VE逐漸增大。離子傳導(dǎo)膜越厚，就越能有效防止釩離子交叉，從而降低容量損失。在四種離子傳導(dǎo)膜中，具有Nafion 117膜的VRFB具有最高的CE。然而，由于Nafion 211膜的薄，釩離子能夠以更高的流速穿過(guò)膜，導(dǎo)致最低的CE。41然而，當(dāng)離子傳導(dǎo)膜較厚時(shí)，其內(nèi)阻增加，導(dǎo)致氫離子傳導(dǎo)率降低。結(jié)果表明，隨著氫離子在膜上轉(zhuǎn)移的電阻降低，電池的極化現(xiàn)象減弱，導(dǎo)致電壓損失降低，VE增加。這意味著具有Nafion 211膜的VRFB具有最高的VE，其次是Nafion 212和Nafion 115，而Nafion 117的效率最低。Nafion 211膜在相同的工作條件下經(jīng)歷顯著的CE損失。分析表明，容量損失是由膜正負(fù)側(cè)的釩離子引起的，而電池的內(nèi)阻引起的電壓損失差異可以忽略不計(jì)。因此，Nafion 211膜的EE最低，而Nafion 212膜的EE最高。

隨著電流密度的增加，由于電極中電解質(zhì)濃度的分布和離子導(dǎo)電膜的導(dǎo)電性的影響，正極和負(fù)極的電解質(zhì)電勢(shì)都逐漸降低。因此，正極和負(fù)極之間的電勢(shì)差增大。在實(shí)驗(yàn)中，使用30 mA cm?2、60 mA cm?1、90 mA cm?3、120 mA cm?4和150 mA cm?6的電流密度進(jìn)行5次充電/放電循環(huán)。每5次循環(huán)后，電流密度增加30 mA cm–2。表二列出了不同流速下的平均電池效率。