电流密度和温度对钒电池性能的影响

田 戈，张中洋，贾明波，李 娟

(承德万利通实业集团有限公司，河北承德067000)

电流密度和温度对钒电池性能的影响

田 戈，张中洋，贾明波，李 娟

(承德万利通实业集团有限公司，河北承德067000)

全钒氧化还原液流电池以其众多的优点日渐成为研究热点。应用自制膜，自主组装了10电池电堆进行测试，测试过程中单电池电压不高于1.7 V，采用恒流模式研究了不同电流密度对电堆充放电性能的影响，并进行了原因分析。在最佳电流密度57.9 mA/cm2条件下，研究了电池运行温度对电解液利用率的影响。

全钒氧化还原液流电池；电流密度；循环效率；温度

全钒氧化还原液流电池(以下简称为钒电池)是一种新型的化学储能电池，具有大功率、大容量、高效率、瞬间响应速度快等优点，在电网调峰、市政交通、分布式电站建设等多个领域有着广阔的应用前景[1-4]。

在整个钒电池系统中，电解液作为能量的存储场所，而钒电池则是能量的转化场所，正、负极电解液分别为含有V(Ⅳ)/ V(Ⅴ)及V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化还原电对的硫酸溶液，正、负半电池由阻钒性能、电导率性能优良的膜材料隔开，充放电过程中，氢离子透过隔膜在正半电池与负半电池之间定向移动。钒电池原理如下所示[5]：

本文采用自制质子传导膜，自组装多电池电堆，采用恒流控压方式，研究了电堆测试温度、充放电模式等因素对电堆循环效率和电解液利用率的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

1.1.1 钒电堆主要部件

本文中选用自制质子传导膜[6]作为电池隔膜，4 mm厚碳毡作为电极材料，集流板则采用改性柔性石墨。由密封件、板框、端板、电极、隔膜、集流板等部件组成单电池，再将多个单电池串联组成电堆。本自组装电堆共计10电池，有效电极面积为484 cm2，组装过程如图1所示。

图1 电堆组装过程

1.1.2 电解液

1.2 测试方法

1.2.1 不同电流密度的充放电循环实验

图2 电池系统

控制温度在25～30℃范围内，采用恒流充放电循环测试，测试过程中电解液流速保持恒定值，单电池电压最高不超过1.7 V，充放电电流密度分别设置为41、49.6、57.9、66.1、74.4 mA/cm2，实验数据通过循环充放电测试仪进行记录。

1.2.2 温度对电堆运行效率及充放电容量的影响

为了测试对电池充放电性能的影响，将温度控制在安全区间(15～35℃)内，改变温度高低，进行电池恒流、控制端电压模式充放电实验，实验过程中采用57.9 mA/cm2的电流密度，由循环充放电测试仪进行数据记录。

2 结果与讨论

2.1 不同电流密度下电堆运行效率

图3所示为电堆在41、49.6、57.9、66.1、74.4 mA/cm2电流密度下的充放电循环效率，测试过程中发现，逐渐增加电流密度，电堆的电流效率增加，而电压效率则降低，这是由于随着电流密度的增加，使得充放电循环时间缩短，相应的，充放电过程中的自放电反应、副反应以及短路电流的影响时间同样缩短，电能损失减少，电流效率上升，然而电池的极化效应同样随着电流密度的增加而逐渐增大，导致充放电过程中电压效率逐渐降低，最终使得能量效率降低。

图3 不同电流密度下电堆的循环效率

2.2 不同电流密度下电堆的能量衰减

钒电池的理论瓦时能量是基于电解液中的活性物质数量而进行定义，用Wh表示。

式中：F为法拉第常数；n为电子转移数；moles为钒离子的物质的量；V为电压。

图4 不同电流密度下充放电能量对比

由图4可以看出，在不同的电流密度下，电堆运行过程中充入和放出的能量有明显差异，即随着充放电电流密度的逐渐增大而呈现衰减趋势，这是因为电流密度增大，电池的极化现象不断加剧，导致电池容易达到充(放)电电压上(下)限，缩短了充(放)电时间，充入的能量和放出的能量减少，电解液的利用率降低。

通过以上测试，综合考虑不同电流密度下的电堆循环效率、电解液的利用率、电堆材料及膜的性能等因素，选择57.9 mA/cm2作为最佳电流密度。

2.3 温度对电池充放电能量的影响

温度对电堆充放电能量有较大影响，如图5所示，其中，A点与C点温度较高，B点与D点测试温度较低。温度较高时，电堆正负极反应活性增大，电池极化效应降低，电池充入的容量与放出的容量均较高，电解液利用率较高，相应温度较低时，电解液利用率较低。在实际电堆运行过程中，温度的波动对电池的检测极为不利，若温度过高，会导致正极一侧5价钒的析出以及电堆出现外漏，对电堆造成致命性损毁；温度过低，则容易引起负极侧钒离子的析出，电解液利用率下降，同时，温度的波动会导致电堆充放电循环中效率出现波动起伏，影响电堆性能的评估。

图5 温度对电堆充放电能量的影响

3 结论

(1)随着充放电电流密度的增大，电堆的电流效率升高，反之则电压效率降低。然而，随着电流密度的增大，电池的极化效应增大，导致电解液的利用率呈现降低的趋势，因此，在进行不同电堆测试时，应根据实际情况选择合适的电流密度。

(2)在合适的电流密度下，可以通过降低短路电流、自放电反应等方式提高电流效率，同时可以通过降低欧姆内阻和极化损失等方式来提高电压效率，从而得到较高的能量效率。

(3)在电池测试过程中，尤其要注意温度的控制，温度不稳定会造成电池循环效率出现高低起伏。温度过低会使电解液利用率降低，同时会引起负极侧电解液钒离子析出的危险；温度过高，一方面会造成正极一侧的五价钒离子析出，另一方面可能会引起板框变形等问题，对电堆造成致命损坏，所以需要将电堆运行温度控制在合理的范围内，从理论及经验上看，一般控制在25～40℃较为合适。

[1]陈金庆，汪钱，王保国.全钒液流电池关键材料研究进展[J].现代化工,2006,26：21-24.

[2]张华民，张宇，刘宗浩，等.液流储能电池技术研究进展[J].化学进展,2009,21(11)：2333-2340.

[3]常芳，孟凡明，陆瑞生.钒电池用电解液研究现状及展望[J].电源技术,2006,30(10)：860-862.

[4]李文跃，魏冠杰，刘建国，等.全钒液流电池电极材料及其研究进展[J].储能科学与技术,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]刘平，青格乐图，王保国，等.质子传导膜制备方法放大与膜性能表征[J].膜科学与技术,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

国家高技术研究发展计划 (“863”计划)项目(2012AA051203)

田戈(1985—)，女，内蒙古自治区人，硕士，工程师，主要研究方向为储能电池。