Исследование и моделирование электрохимических процессов в ванадиевых батареях

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Sum E. and Skyllas-Kazacos M. (1985) Power Sources 16(2), 85, https://doi.org/10.1016/0378-7753(85)80082-3.

6. Rong Y. (2015) Study on Stability and Electrochemical Performance of New Vanadium Battery Electrolyte, Beijing University of Chemical Technology.

7. Rao P. and Jayanti S. (2021) Power Source, 482, 228988, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228988.

8. Tai Z., Hanawa K., Ju D. and Luo W., Chem J. (2021) (1), https://doi.org/10.1155/2021/6646256.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Electrochemistry module user’s guide (2023) COMSOL Multiphysics, v. 5.5. COMSOL AB, Stockholm, Sweden, URL: www.comsol.com.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. D. Vivona, M. Messaggi, A. Baricci, A. Casalegno, and M. Zago // J. Electrochem. Soc. 2020, https://doi.org/10.1149/1945-7111/aba36b.

19. 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.

20. You D., Zhang H. and Chen J. (2009) Electrochim. Acta, 54(27), 6827, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2009.06.086/.

21. Ozgoli H.A., Elyasi S. and Mollazadeh M. (2015). Mech. Ind. 16(2), 201, https://doi.org/10.1051/meca/2014071.

22. 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.