[發明專利]一種液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法

有效

• 申請號: 201910826102.1
• 申請日: 2019-09-03
• 公開（公告）號: CN110568051B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 唐奡;熊靜;李享容;嚴川偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G01N27/48
• 分類號: G01N27/48;G01R31/385;H01M8/18
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及液流電池領域，具體為一種液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法。采用對稱結構電池，通過極化曲線測試從電池的總極化曲線中減去總歐姆及總濃差極化獲得正負極的總活化極化曲線，結合對稱結構電池中正負極氧化還原對相同且反應物濃度相等的特點，對總活化極化取半來獲得單極電化學反應的活化極化，最后根據Tafel理論中活化極化與電流密度之間的關系式計算得到多孔電極上的電極動力學參數。本發明利用簡單的對稱結構電池設計和常見的極化曲線測試手段來研究液流電池中多孔電極上的電極動力學，可廣泛應用于各類氧化還原對在不同類型多孔電極上的電極動力學研究，實用性強、操作簡便、成本低。

技術領域

本發明涉及液流電池領域，具體為一種液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法。

背景技術

在液流電池中，電解液中的活性物質在多孔電極上的電極動力學至關重要，電極動力學直接影響電池的活化極化，進而影響電池的電壓效率。目前，液流電池中的電極動力學測試方法主要有循環伏安法、線性掃描伏安法及電化學阻抗譜法，現有方法只能體現電極的二維結構性質，而不能反應實際應用中真實多孔電極的三維結構以及真實面積等重要信息，極大地限制了液流電池中電極動力學測試的準確性和實用性。另外，用于指導液流電池工程設計的電化學仿真工作非常依賴于電極動力學參數的準確性，而由平面電極作為工作電極測得的電極動力學參數會導致電化學模擬結果與實驗結果難以一致，從而降低仿真工作的工程指導意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，利用簡單的對稱結構電池設計和極化曲線測試手段，利用Tafel理論，實現對多孔電極上電極動力學的研究。用本發明方法測得的多孔電極動力學參數，可準確反應液流電池中的電極動力學過程，進而可有效地指導液流電池的工程設計。

本發明的技術方案是：

一種液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，采用對稱結構電池，通過電池極化曲線測試從電池的總極化中減去總歐姆極化和總濃差極化獲得正負極的總活化極化，利用對稱電池中正負極采用同一個氧化還原對且反應物濃度相等的特點，正負極的活化極化基本相等，從而獲得多孔電極上一個電化學反應的活化極化，再結合Tafel理論中活化極化與電流密度之間的關系式計算多孔電極上的電極動力學參數。

所述的液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，對液流電池中的多孔電極不限材料和結構，多孔電極為石墨氈、碳氈、碳紙和泡沫鎳的各類多孔介質材料之一。

所述的液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，液流電池中的電解液不限濃度且不限氧化還原物質種類，各類可用于液流電池的電解液均包括在內。

所述的液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，對稱結構電池的正負極采用相同的電解液，即電池正負極的氧化還原對相同，氧化物與還原物摩爾濃度比為1∶1，且正負極電解液流經同一個儲液罐，正負極反應物的濃度保持不變且相等。

所述的液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，電池總歐姆極化采用電流與電池內阻之積獲得，其中電池內阻采用測量電池內各組件阻值以及接觸內阻之和獲得。

所述的液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，電池總濃差極化由如下公式計算獲得：

η_conc(單位，V)為電池總濃差極化，T(單位，K)為電解液溫度，i(單位，A/m²)為電流密度，cr(單位，mol/m³)為反應物濃度，R(單位，J/(mol·K))為理想氣體常數，F(單位，C/mol)為法拉第常數，k_m(單位，m/s)為電解液內的傳質系數，abs為取絕對值運算符。

所述的液流電池多孔電極反應動力學參數測試方法，電解液的傳質系數與電解液流速有關，在不同流速下測量電池的極限電流，再結合極限電流與傳質系數的如下關系：