kaz29Вестник Казахстанско-Британского технического университетаHerald of the Kazakh-British Technical University1998-66882959-8109Казахстанско-Британский Технический Университет10.55452/1998-6688-2023-20-4-72-84kaz29-876Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИMATHEMATICAL SCIENCESИсследование и моделирование электрохимических процессов в ванадиевых батареяхResearch and simulation of electrochemical processes in vanadium batterieshttps://orcid.org/0000-0002-8945-9648МерекеА. Л.MerekeA. L.

Мереке Алмаз Лукматулы, Научный сотрудник

050032, г. Алматы

Mereke Almaz Lukmatuly, Researcher

050032, Almaty

mereke.almaz@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5343-5054ЧекиеваА. С.ChekiyevaA. S.

Чекиева Аружан Сунгатолдакызы, Младший научный сотрудник

050032, г. Алматы

Chekiyeva Aruzhan Sungatoldakyzy, Junior Researcher

050032, Almaty

aruqkz@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-0941-0271УмирзаковА. Г.UmirzakovA. G.

Умирзаков Арман Ганидинович, Научный сотрудник

050032, г. Алматы

Umirzakov Arman Ganidinovich, Researcher

050032, Almaty

a.umirzakov@sci.kzhttps://orcid.org/0000-0001-6168-2787ЕлемесовК. К.ElemesovK. K.

Елемесов Касым Коптлеуович, Кандидат технических наук, ассоциированный профессор, директор Института энергетики и машиностроения

050032, г. Алматы

Yelemesov Kasym Koptleuovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Director, Institute of Power Engineering and Mechanical Engineering

050032, Almaty

k.yelemessov@satbayev.universityhttps://orcid.org/0009-0004-8864-9230АбдугалимовА. Ш.AbdugalimovA. Sh.

Абдугалимов Алишер Шериязданович, Аспирант

010000, г. Астана

Abdugalimov Alisher Sheriyazdanovich, Postgraduate student

010000, Astana

abdugalimov@gmail.comФасхутдиновМ. Ф.FaskhutdinovM. F.

Фасхутдинов Марат Флурович, Кандидат химических наук

050032, г. Алматы

Faskhutdinov Marat Flurovich, Candidate of Chemical Sciences

050032, Almaty

ffmarat@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6817-9586СериккановА. С.SerikkanovA. S.

Серикканов Абай Серикканович, Кандидат физико-математических наук, вице-президент

050032, г. Алматы

Serikkanov Abay Serikkanovich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Vice-President

050032, Almaty

a.serikkanov@gmail.comSatbaev Universit; Физико-технический институтКазахстанSatbaev University; Institute of Physics and TechnologyKazakhstanФизико-технический институтКазахстанPhysico-Technical InstituteKazakhstanSatbaev UniversityКазахстанSatbaev UniversityKazakhstanЕвразийский национальный университетКазахстанEurasian National UniversityKazakhstanSatbaev University; Физико-технический институт; Национальная академия наук Республики КазахстанКазахстанSatbaev University; Physico-Technical Institute; National Academy of Sciences of the Republic of KazakhstanKazakhstan2023121220232047284Copyright © Мереке А.Л., Чекиева А.С., Умирзаков А.Г., Елемесов К.К., Абдугалимов А.Ш., Фасхутдинов М.Ф., Серикканов А.С., 20232023Мереке А.Л., Чекиева А.С., Умирзаков А.Г., Елемесов К.К., Абдугалимов А.Ш., Фасхутдинов М.Ф., Серикканов А.С.Mereke A.L., Chekiyeva A.S., Umirzakov A.G., Elemesov K.K., Abdugalimov A.S., Faskhutdinov M.F., Serikkanov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.kbtu.edu.kz/jour/article/view/876

Постановка проблемы: в современном мире разработка эффективных источников энергии становится все более важной проблемой. Одним из перспективных направлений в области электрохимических источников энергии являются ванадиевые батареи. Эти батареи основаны на электрохимических процессах, происходящих с участием ванадия в различных окислительных состояниях. Исследование и моделирование электрохимических процессов в ванадиевых батареях имеют важное значение для оптимизации их работы и повышения эффективности использования энергии. Исследование и моделирование электрохимических процессов в ванадиевых батареях играют ключевую роль в разработке эффективных источников энергии. Понимание основных принципов работы ванадиевых батарей, а также разработка точных математических моделей и их численное моделирование позволяют оптимизировать процессы, связанные с хранением и высвобождением энергии. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более эффективных и устойчивых источников энергии, способных удовлетворить потребности современного общества в устойчивой энергетике. Цель: моделирование процессов ванадиевых редокс проточных батарей (ВРПБ) путем варьирования потока электролита для оптимизации электрохимических процессов, происходящих в граничных условиях мембрана – электрод. Результаты: данное исследование проводит моделирование в пакете программного обеспечения COMSOL Multiphysicals электрохимические характеристики ВРПБ в зависимости от потока электролита. Были проведены испытания, в ходе которых были исследованы параметры скорости потока, чтобы оценить их влияние на распределение потенциала и плотности тока. Практическая значимость: энергия в ВРПБ хранится в жидком электролите, который прокачивается через ячейку. Электролит хранится во внешних резервуарах, а не в пористых электродах, как в обычных батареях. Результаты способствуют повышению эффективного хранения энергии, выравниванию нагрузки и сглаживанию пиковой мощности ВРПБ. Построение моделей позволяет предсказать влияние на эффективность перемешивания электролитов, учитывая гидродинамические условия внутри батареи, чтобы определить, как они влияют на перенос ионов ванадия с учетом скорости потока электролита.

Formulation of the problem: In the modern world, the development of efficient energy sources is becoming an increasingly important issue. One of the promising areas in the field of electrochemical energy sources is vanadium batteries. These batteries are based on electrochemical processes involving vanadium in various oxidative states. Research and modeling of electrochemical processes in vanadium batteries are important to optimize their performance and improve energy efficiency. Research and modeling of electrochemical processes in vanadium batteries play a key role in the development of efficient energy sources. Understanding the basic principles of operation of vanadium batteries, as well as the development of accurate mathematical models and their numerical simulation, allows optimizing the processes associated with storing and releasing energy. Further research and development in this area could lead to the creation of more efficient and sustainable energy sources that can meet the sustainable energy needs of modern society. Objective of the project: modeling the processes of vanadium redox flow batteries (VRFB) by varying the electrolyte flow to optimize electrochemical processes occurring under membrane-electrode boundary conditions. Results: this study simulates in the COMSOL Multiphysics software package the electrochemical characteristics of HFSC as a function of electrolyte flow. Tests were carried out in which the flow velocity parameters were examined to evaluate their effect on the potential distribution and current density. Practical significance: the energy in an HFSC is stored in a liquid electrolyte that is pumped through the cell. The electrolyte is stored in external reservoirs rather than in porous electrodes as in conventional batteries. The results contribute to improved efficient energy storage, load balancing, and peak power smoothing of the GRPB. The construction of models allows us to predict the effect on the efficiency of mixing electrolytes, taking into account the hydrodynamic conditions inside the battery to determine how they affect the transport of vanadium ions, taking into account the electrolyte flow rate.

моделированиеванадиевые редокс проточные батареиэлектролитрасходполяризацияплотность токаmodelingvanadium redox flow batterieselectrolyteflow ratepolarizationcurrent densiРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан в рамках проекта BR18574141 «Комплексная многоцелевая программа повышения энергоэффективности и ресурсосбережения в энергетике и машиностроении для промышленности Казахстана», за что авторы выражают огромную благодарность.ReferencesIwakiri I., Antunes T., Almeida H., Sousa J.P., Figueira R.B., Mendes A. (2021) Redox flow batteries: materials, design and prospects, Energies 14, https://doi.org/10.3390/en14185643.Iwakiri I., Antunes T., Almeida H., Sousa J.P., Figueira R.B., Mendes A. (2021) Redox flow batteries: materials, design and prospects, Energies 14, https://doi.org/10.3390/en14185643.Lourenssen K., Williams J., Ahmadpour F., Clemmer R., Tasnim S. (2019) Vanadium redox flow batteries: a comprehensive review, J. Energy Storage 25, https://doi.org/10.1016/j.est.2019.100844.Lourenssen K., Williams J., Ahmadpour F., Clemmer R., Tasnim S. (2019) Vanadium redox flow batteries: a comprehensive review, J. Energy Storage 25, https://doi.org/10.1016/j.est.2019.100844.Khazaeli A., Vatani A., Tahouni N., Panjeshahi M.H. (2015) Numerical investigation and thermodynamic analysis of the effect of electrolyte flow rate on performance of all vanadium redox flow batteries, J. Power Sources, 293, pp. 599–612, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.05.100.Khazaeli A., Vatani A., Tahouni N., Panjeshahi M.H. (2015) Numerical investigation and thermodynamic analysis of the effect of electrolyte flow rate on performance of all vanadium redox flow batteries, J. Power Sources, 293, pp. 599–612, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.05.100.Wen Y., Neville T.P., Sobrido A.J., Shearing P.R., Brett D.J.L., Jervis R. (2023) Bismuth concentration influenced competition between electrochemical reactions in the all-vanadium redox flow battery, J. Power Sources 566, 232861.Wen Y., Neville T.P., Sobrido A.J., Shearing P.R., Brett D.J.L., Jervis R. (2023) Bismuth concentration influenced competition between electrochemical reactions in the all-vanadium redox flow battery, J. Power Sources 566, 232861.Sum E. and Skyllas-Kazacos M. (1985) Power Sources 16(2), 85, https://doi.org/10.1016/0378-7753(85)80082-3.Sum E. and Skyllas-Kazacos M. (1985) Power Sources 16(2), 85, https://doi.org/10.1016/0378-7753(85)80082-3.Rong Y. (2015) Study on Stability and Electrochemical Performance of New Vanadium Battery Electrolyte, Beijing University of Chemical Technology.Rong Y. (2015) Study on Stability and Electrochemical Performance of New Vanadium Battery Electrolyte, Beijing University of Chemical Technology.Rao P. and Jayanti S. (2021) Power Source, 482, 228988, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228988.Rao P. and Jayanti S. (2021) Power Source, 482, 228988, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228988.Tai Z., Hanawa K., Ju D. and Luo W., Chem J. (2021) (1), https://doi.org/10.1155/2021/6646256.Tai Z., Hanawa K., Ju D. and Luo W., Chem J. (2021) (1), https://doi.org/10.1155/2021/6646256.Messaggi M., Rabissi C., Gambaro C., Meda L., Casalegno A. and Zago M. (2020) Power Sources, 449, 227588, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227588.Messaggi M., Rabissi C., Gambaro C., Meda L., Casalegno A. and Zago M. (2020) Power Sources, 449, 227588, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227588.Gencten M., Gursu H., Sahin Y. (2017) Anti-precipitation effects of TiO2 and TiOSO4 on positive electrolyte of vanadium redox battery, Hydrog. Energy, 42, 25608–25618.Gencten M., Gursu H., Sahin Y. (2017) Anti-precipitation effects of TiO2 and TiOSO4 on positive electrolyte of vanadium redox battery, Hydrog. Energy, 42, 25608–25618.Bafekry A., Faraji M., Stampfl C., Abdolhosseini Sarsari I., Abdollahzadeh Ziabari A., Hieu N.N., Karbasizadeh S. and Ghergherechi M. (2021) Phys. D Appl., 55, 035301, https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac2cab.Bafekry A., Faraji M., Stampfl C., Abdolhosseini Sarsari I., Abdollahzadeh Ziabari A., Hieu N.N., Karbasizadeh S. and Ghergherechi M. (2021) Phys. D Appl., 55, 035301, https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac2cab.Bafekry A., Faraji M., Fadlallah M.M., Jappor H.R., Karbasizadeh S., Ghergherechi M., Abdolhosseini Sarsari I. and Abdollahzadeh Ziabari A. (2021) Phys. Chem. Chem. Phys., 23(34), 18752, https://doi.org/10.1039/D1CP02590B.Bafekry A., Faraji M., Fadlallah M.M., Jappor H.R., Karbasizadeh S., Ghergherechi M., Abdolhosseini Sarsari I. and Abdollahzadeh Ziabari A. (2021) Phys. Chem. Chem. Phys., 23(34), 18752, https://doi.org/10.1039/D1CP02590B.Bafekry A., Faraji M., Fadlallah M.M., Mortazavi B., Ziabari A.A., Khatibani A.B., Nguyen C.V., Ghergherechi M. and Godova D. (2021) Phys. Chem. C, 125(23), 13067, https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03749.Bafekry A., Faraji M., Fadlallah M.M., Mortazavi B., Ziabari A.A., Khatibani A.B., Nguyen C.V., Ghergherechi M. and Godova D. (2021) Phys. Chem. C, 125(23), 13067, https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03749.Electrochemistry module user’s guide (2023) COMSOL Multiphysics, v. 5.5. COMSOL AB, Stockholm, Sweden, URL: www.comsol.com.Electrochemistry module user’s guide (2023) COMSOL Multiphysics, v. 5.5. COMSOL AB, Stockholm, Sweden, URL: www.comsol.com.Trovò A. (2020) Battery management system for industrial-scale vanadium redox flow batteries: Features and operation, Journal of Power Sources, 465, 228229, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.22822.Trovò A. (2020) Battery management system for industrial-scale vanadium redox flow batteries: Features and operation, Journal of Power Sources, 465, 228229, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.22822.Bafekry A., Faraji M., Karbasizadeh S., A.B.A.A. Ziabari, Gogova D. and Ghergherechi M. (2021) Phys. Chem, 23(42), 24301, https://doi.org/10.1039/D1CP03421A.Bafekry A., Faraji M., Karbasizadeh S., A.B.A.A. Ziabari, Gogova D. and Ghergherechi M. (2021) Phys. Chem, 23(42), 24301, https://doi.org/10.1039/D1CP03421A.Aramendia I., Fernandez-Gamiz U., Martinez-San-Vicente A., Zulueta E. and Lopez-Guede J.M. (2020) Energies 14(1), 176, https://doi.org/10.3390/en14010176.Aramendia I., Fernandez-Gamiz U., Martinez-San-Vicente A., Zulueta E. and Lopez-Guede J.M. (2020) Energies 14(1), 176, https://doi.org/10.3390/en14010176.D. Vivona, M. Messaggi, A. Baricci, A. Casalegno, and M. Zago // J. Electrochem. Soc. 2020, https://doi.org/10.1149/1945-7111/aba36b.D. Vivona, M. Messaggi, A. Baricci, A. Casalegno, and M. Zago // J. Electrochem. Soc. 2020, https://doi.org/10.1149/1945-7111/aba36b.Knehr K.W., Agar E., Dennison C.R., Kalidindi A.R. and Kumbur E.C. (2012). Electrochem. Soc., 159(9), A1446, https://doi.org/10.1149/2.017209jes.Knehr K.W., Agar E., Dennison C.R., Kalidindi A.R. and Kumbur E.C. (2012). Electrochem. Soc., 159(9), A1446, https://doi.org/10.1149/2.017209jes.You D., Zhang H. and Chen J. (2009) Electrochim. Acta, 54(27), 6827, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2009.06.086/.You D., Zhang H. and Chen J. (2009) Electrochim. Acta, 54(27), 6827, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2009.06.086/.Ozgoli H.A., Elyasi S. and Mollazadeh M. (2015). Mech. Ind. 16(2), 201, https://doi.org/10.1051/meca/2014071.Ozgoli H.A., Elyasi S. and Mollazadeh M. (2015). Mech. Ind. 16(2), 201, https://doi.org/10.1051/meca/2014071.Emmel D., Hofmann J.D., Arlt T., Manke I., Wehinger G.D., Schro¨der D. and Appl A.C.S. (2020) Energy Mater. 3(5), 4384 https://doi.org/10.1021/acsaem.0c00075.Emmel D., Hofmann J.D., Arlt T., Manke I., Wehinger G.D., Schro¨der D. and Appl A.C.S. (2020) Energy Mater. 3(5), 4384 https://doi.org/10.1021/acsaem.0c00075.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.