你站在一个实验室里，实验室里满是装有不同颜色液体的烧杯。虽然这看起来有点像漫画，但这是一个研究钒氧化还原液流电池(VRFBs)的实验室。与传统电池不同，VRFBs中的化学能包含在液体电解质中，液体电解质储存在外部罐中，并通过电池泵送以转换成电能或从电能转换而来。通过推进阀控式铅酸蓄电池的设计，工程师可以提高电网储能和可再生能源的可靠性。

　　什么是钒氧化还原液流电池?

　　阀控式铅酸蓄电池是一种可充电的液流电池，由一个离子交换膜组成，该膜将正负电解液分开。典型地，膜只允许质子在两个细胞室之间移动。

　　在电池充电期间，正极电解液中的钒离子被氧化并失去电子。同时，负电解质中的钒离子被还原并获得电子。电子通过外部电路从电池的正极移动到负极。充电时，必须施加一个电压来驱动电子通过电路——通过这个电压输入电池的电能通过引起氧化和还原反应被转换成储存在槽中的化学势。然后，在放电期间，反应自发地以相反的方向进行，并且相应的电流可以用来提取存储的能量。

　　钒液流电池系统示意图。

　　钒是这些电池中使用的化学元素的良好选择，因为它能够在溶液中以各种不同的氧化态存在。通过在两个槽中使用钒，阀控式铅酸蓄电池还避免了影响其他氧化还原液流电池的交叉污染问题。

　　研究VRFBs的实验室可能包括充满不同氧化态钒的彩色烧杯。

　　锂离子电池是消费者和其他小规模应用中常见的可充电电池选择。但是对于大规模应用，与锂离子电池相比，阀控式铅酸蓄电池有一些优势以下内容:

　　   1.更容易扩展的能力

　　   2.更长的寿命

　　   3.持续经营20年或更长时间的能力

　　   4.安全性提高，因为阀控式密封铅酸蓄电池不会造成火灾

　　通过使用更大的电解液储罐，阀控式铅酸蓄电池还可以提供看似无限的能量容量，并有潜力储存数百兆瓦时的能量。

　　这些好处意味着工程师可以将VRFBs用于大规模储能，有助于提高电网的稳定性。稳定性的提高是因为电池可以通过快速获取存储的电能来应对高峰时段需求的大幅增加。

　　阀控式铅酸蓄电池与可再生能源——如风能和太阳能——结合起来特别有用，这些能源存在间歇性问题。例如，风力只有在刮风的时候才会产生，但是没有风的时候我们仍然需要能量。阀控式铅酸蓄电池可以通过廉价储存多余的能量，以备可再生能源无法提供电力时使用，从而帮助平衡这种可变生产。与液流电池相结合，可再生能源可以提供不间断的能源供应，使其更加可靠。

　　虚拟现实系统的仿真研究与优化

　　为了改进VRFBs并解决其现有的一些缺点，如低能量密度和功能温度范围，工程师可以使用COMSOL Multiphysics软件。例如，西安交通大学的研究人员建立了一个三维虚拟现实反馈模拟仿真技术分析阀控式密封铅酸蓄电池运行过程中的流体压力、电势、电流密度和过电位。他们的目标是分析运输问题和反应动力学，以及初始边界条件和基本假设。他们希望他们的模拟仿真技术可以用来改进阀控式铅酸蓄电池组的设计，从而拓宽系统运行条件。

　　研究蛇形流场(左)和无流场(右)的压力分布。王清照、蒋子江、陆德勤和瞿子楚的照片COMSOL会议2015北京海报。

　　在德雷克塞尔大学，研究人员使用模拟来解决VRFBs中的交叉问题这发生在电池运行期间钒离子本身穿过离子交换膜时。这消耗了存储的化学能，而没有给电路产生任何相应的功率，因此对系统的效率和长期充电/放电稳定性构成了主要的限制因素。

　　为了准确评估交叉如何影响VRFB性能，该团队利用COMSOL Multiphysics创建了一个电化学模拟仿真技术。模拟结果与实验数据吻合较好，该模型能够成功地分析膜和电极中物质浓度、电位和反应的瞬态特性以及空间分布。

　　当然，这些只是建模VRFBs的几个例子。为了进一步研究这种有前途的液流电池，我们可以使用基于已发表作品的简化模拟仿真技术。

　　用COMSOL多物理模拟钒氧化还原液流电池

　　一个简单的2D VRFB例子可以由离子交换膜组成，该膜将具有不同电极反应和离子组成的两个电池隔室分开。因此，该模拟仿真技术有三个领域:

　　   1.离子交换膜

　　   2.负极多孔电极，填充有含氢的负极电解质+，HSO4–，SO42-，五3+，和V2+离子

　　   3.正极多孔电极，填充有含氢的正极电解质+，HSO4–，SO42-，VO2+，和VO2+离子

　　VRFB模拟仿真技术几何显示了三个不同的领域。

　　运行该模拟仿真技术时，我们将由硫酸和钒氧化还原对组成的电解液流输送到电池的每一侧。液体以恒定的速度进入池的底部y方向并流经多孔电极，在膜两侧的两个半电池中平行流动。液体然后在顶部边界离开细胞。

　　当给定一组入口浓度和电极之间的电负载条件时，我们可以使用该模拟仿真技术求解静态情况。在该示例中，液流电池以平均电流密度为100毫安/厘米的放电模式运行2在电流收集器上。

　　有关设置和解决此示例的更多详细信息，请查看钒氧化还原液流电池教程的模拟仿真技术文件。

　　检查虚拟参考反馈仿真结果

　　让我们先看看放电过程中产生的离子浓度:它们是V3+在负电解质和VO中2+在正极电解液中。您可以看到，这两种离子的浓度在集电器附近和出口处都有所增加。至于V星人2+在负电解质和VO中2+在正极电解质中，这些离子沿着靠近集电器的流动方向耗尽。

　　我们还可以研究电极反应速率，这取决于电池中电阻、电极动力学和电极热力学的组合，以及钒离子由于扩散和对流而产生的传质。在垂直于流动的横截面中，很明显，最大电极反应源出现在集电器处，最小发生在电极中间。