一种流体锂氧电池功率平衡模型算法制造技术

本发明专利技术涉及一种流体锂氧电池功率平衡模型算法，包括：步骤1、设计测试单体电池的测试装置；步骤2、建立锂氧流单体电池的输出功率的半经验模型。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术提出的流体锂氧电池功率平衡模型针对复杂电池系统，在不需要获得动态数据的前提下，描述流体锂氧电池的特殊化学组成和反应过程；本发明专利技术设计一种合理的多孔玻璃态碳电极及测试该单体电池的测试装置，最大化输出功率且最小化功率损耗；半经验模型将拦截阴极流体的三维多孔阴极的几何结构与净功率输出进行函数关联，给出了净功率输出与锂氧流流速的关系方程，同时考虑单体电池的特殊化学过程和结构组成；充分开发了流体锂氧电池的化学特性。

【技术实现步骤摘要】
一种流体锂氧电池功率平衡模型算法
本专利技术属于流体锂氧电池功率平衡领域，具体涉及一种流体锂氧电池功率平衡模型算法。
技术介绍
随着可再生能源技术的发展，氧化还原流体锂氧电池(RFBs)作为电能存储系统(EES)越来越受到关注，其主要优点为设计灵活性，能量/功率解耦可行性，同时可以减少不常用电池组件的数量。尽管目前人们使用不同的化学物质(催化剂、氧化还原介质、有机电解液、锂插层流动电极、微/纳米结构材料)来提高动力电池的性能，但多数研究成果主要集中在材料科学上。Arenas等人提出对流体锂氧电池的结构和实际性能进行工程研究，评价电池的整体功率平衡。材料科学应用中，电化学模型方法将推动锂离子电池、锂硫电池和流体锂氧电池等新型储能技术的发展。锂氧离子(Li2O2)是一种绝缘材料，在放电过程中，随着Li2O2在阴极上的形成，电池的过电位增大。Li2O2限制了电池的放电容量，导致充电电压上限高于3.7V。同时，在高化学反应性化合物(如过氧化物和超氧物)存在的情况下，高压充电会降低电解液和碳电极的化学稳定性，减少电池的循环寿命。Laoire和peng深入研究电解液组成对流体锂氧电池性能的影响程度。Monaco等人利用电池流体力学设计原理，显著提高电池的效率响应。实际应用中，流动循环的能量消耗降低了锂流电池的整体效率。相应的功率损耗(Ploss)为锂电池的体积流量速率(V)和压降(Δp)的乘积，即：上式中，η为流速效率。在设计良好的流动性RFB中，Ploss可以降到2％～4％。但是，使用粘性和半固态流体会增加功率损耗，其值不可忽略。Zeng等人证明了平均速度为v的流体通过长度为L的玻璃态碳(RVC)电极，Δp可以由Forchheimer方程模拟：Δp/L＝(μ/k)·v+(ρβ/2)·v2式中，μ和ρ分别是液体电解质的动态粘度和密度。k表示RVC磁导率，即对穿过多孔介质的流动粘性阻力。β为流体的惯性因子，表示路径弯曲引起的流体加速/减速的微观惯性效应。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种流体锂氧电池功率平衡模型算法。这种流体锂氧电池功率平衡模型算法，包括以下步骤：步骤1、设计测试单体电池的测试装置；设置测试压降条件，并测量不同阴极离子流速VRVC下，流体锂氧电池的实际输出功率；步骤2、建立锂氧流单体电池的输出功率Pout的半经验模型，利用测试数据计算锂氧流单体电池的输出功率Pout和功率损耗Ploss；步骤3、设计长度L、宽度W和厚度σ的棱柱状堆栈流体锂氧电池结构模型；步骤4、计算棱柱状堆栈流体锂氧电池模型的输出功率Pout，建立棱柱状堆栈流体锂氧电池的输出功率Pout与体积的半经验拟合函数，电流大小、锂氧流单体电池的输出功率Pout和功率损耗Ploss与玻璃态碳电极(RVC)面积相关；计算功率损失Ploss和净功率PN；步骤5、设计最大限度地提高锂氧流单体电池的输出功率Pout且减少锂氧流单体电池的功率损失Ploss的多孔玻璃态碳电极(RVC)：利用两片GF/F-Whatman玻璃纤维过滤器，分离多孔玻璃态碳电极(RVC)和锂离子电极，为了避免锂表面被溶解在阴极中的氧气污染，允许锂/多孔玻璃态碳电极(RVC)堆积层存在不对称位移。作为优选，步骤1具体包括如下步骤：步骤1.1、设置测试压降条件：增大测试装置中锂氧流单体电池(FLOB电池)内多孔玻璃态碳电极(RVC)的入口面积，减小多孔玻璃态碳电极(RVC)的出口面积，使流体锂氧电池的流量通道压降分布均匀；步骤1.2、在多孔玻璃态碳电极(RVC)中不同阴极离子流速VRVC下，测量流体锂氧电池的实际输出功率和与流体锂氧电池的阴极离子流速VRVC相关的功率损失；对玻璃态碳电极(RVC)的磁导率k和惯性因子β进行实验评估。作为优选，步骤2具体包括如下步骤：步骤2.1、计算锂氧流单体电池的输出功率Pout，建立锂氧流单体电池的输出功率Pout的半经验模型：将流体锂氧电池的实际输出功率与流体锂氧电池的阴极离子流速VRVC关联，设锂氧流单体电池的输出功率Pout只取决于阴极面积，阴极面积与玻璃态碳电极(RVC)总孔表面和体积相关；记录不同充放电电压条件下锂氧流单体电池的输出功率Pout与阴极离子流速VRVC，并将记录的锂氧流单体电池的输出功率Pout与阴极离子流速VRVC拟合得到关系曲线；利用插值算法建立锂氧流单体电池的输出功率Pout的半经验模型：上式中，为锂氧流单体电池的输出功率密度，A和P0为拟合常数，vτ为与时间常数相关的流速，vRVC为玻璃态碳电极(RVC)中的阴极离子流速；步骤2.2、测得不同阴极体积流量速率V下通过流体锂氧电池的压降Δp，并记录该值；计算锂氧流单体电池的与阴极离子相关的功率损耗Ploss：上式中，η为流速效率，Δp为压降，V为体积流量速率；则功率损失Ploss取决于沿流动方向穿过多孔玻璃态碳电极(RVC)的压降Δp和体积流量速率V；由Forchheimer方程得压降Δp取决于玻璃态碳电极(RVC)的磁导率k、惯性因子β和多孔玻璃态碳电极(RVC)的长度L；Forchheimer方程为：Δp/L＝(μ/k)·v+(ρβ/2)·v2(3)上式中，μ为液体电解质的动态粘度；ρ是液体电解质的密度；k表示玻璃态碳电极(RVC)的磁导率，磁导率k为对穿过多孔介质的流动粘性阻力；β为流体的惯性因子，表示路径弯曲引起的流体加速/减速的微观惯性效应。作为优选，步骤4具体包括如下步骤：步骤4.1、建立棱柱状堆栈流体锂氧电池的输出功率Pout与体积的半经验拟合函数，在给定阴极离子流速VRVC条件下，将棱柱状堆栈流体锂氧电池的输出功率Pout与玻璃态碳电极(RVC)的体积关联：上式中，Pout为棱柱状堆栈流体锂氧电池的输出功率，W为玻璃态碳电极(RVC)的宽度，L为玻璃态碳电极(RVC)的长度，σ为玻璃态碳电极(RVC)的厚度，A和P0为拟合常数，vRVC为多孔玻璃态碳电极(RVC)中的阴极离子流速，vτ为与时间常数相关的流速；为锂氧流单体电池的输出功率密度，计算方式为：步骤4.2、建立体积流量速率与多孔玻璃态碳电极(RVC)尺寸的关系方程：上式中，vRVC为多孔玻璃态碳电极(RVC)中的阴极离子流速，ε为多孔玻璃态碳电极(RVC)的空隙率；σ为玻璃态碳电极(RVC)的厚度，W为玻璃态碳电极(RVC)的宽度；步骤4.3、结合Forchheimer方程和式(5)计算功率损失Ploss和净功率PN：上式中，A和P0为拟合常数；为拟合常数P0的平均值；Δp为压降；为多孔玻璃态碳电极的体积流量速率；μ为液体电解质的动态粘度；ρ是液体电解质的密度；β为流体的惯性因子；vRVC为多孔玻璃态碳电极(RVC)中的阴极离子流速；W为玻璃态碳电极(RVC)的宽度，L为玻璃态碳电极(RVC)的长度，σ为玻璃态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流体锂氧电池功率平衡模型算法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、设计测试单体电池的测试装置；设置测试压降条件，并测量不同阴极离子流速V

【技术特征摘要】
1.一种流体锂氧电池功率平衡模型算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计测试单体电池的测试装置；设置测试压降条件，并测量不同阴极离子流速VRVC下，流体锂氧电池的实际输出功率；
步骤2、建立锂氧流单体电池的输出功率Pout的半经验模型，利用测试数据计算锂氧流单体电池的输出功率Pout和功率损耗Ploss；
步骤3、设计长度L、宽度W和厚度σ的棱柱状堆栈流体锂氧电池结构模型；
步骤4、计算棱柱状堆栈流体锂氧电池模型的输出功率Pout，建立棱柱状堆栈流体锂氧电池的输出功率Pout与体积的半经验拟合函数；计算功率损失Ploss和净功率PN；
步骤5、设计最大限度地提高锂氧流单体电池的输出功率Pout且减少锂氧流单体电池的功率损失Ploss的多孔玻璃态碳电极：利用两片GF/F-Whatman玻璃纤维过滤器，分离多孔玻璃态碳电极和锂离子电极。


2.根据权利要求1所述流体锂氧电池功率平衡模型算法，其特征在于，步骤1具体包括如下步骤：
步骤1.1、设置测试压降条件：增大测试装置中锂氧流单体电池内多孔玻璃态碳电极的入口面积，减小多孔玻璃态碳电极的出口面积；
步骤1.2、在多孔玻璃态碳电极中不同阴极离子流速VRVC下，测量流体锂氧电池的实际输出功率。


3.根据权利要求1所述流体锂氧电池功率平衡模型算法，其特征在于：步骤2具体包括如下步骤：
步骤2.1、计算锂氧流单体电池的输出功率Pout，建立锂氧流单体电池的输出功率Pout的半经验模型：
将流体锂氧电池的实际输出功率与流体锂氧电池的阴极离子流速VRVC关联，设锂氧流单体电池的输出功率Pout只取决于阴极面积，阴极面积与玻璃态碳电极总孔表面和体积相关；记录不同充放电电压条件下锂氧流单体电池的输出功率Pout与阴极离子流速VRVC，并将记录的锂氧流单体电池的输出功率Pout与阴极离子流速VRVC拟合得到关系曲线；利用插值算法建立锂氧流单体电池的输出功率Pout的半经验模型：



上式中，为锂氧流单体电池的输出功率密度，A和P0为拟合常数，vτ为与时间常数相关的流速，vRVC为玻璃态碳电极中的阴极离子流速；
步骤2.2、测得不同阴极体积流量速率V下通过流体锂氧电池的压降Δp，并记录该值；计算锂氧流单体电池的与阴极离子相关的功率损耗Ploss：



上式中，η为流速效率，Δp为压降，V为体积流量速率；则功率损失Ploss取决于沿流动方向穿过多孔玻璃态碳电极的压降Δp和体积流量速率V；由Forchheimer方程得压降Δp取决于玻璃态碳电极的磁导率k、惯性因子β和多孔玻璃态碳电极的长度L；Forchheimer方程为：
Δp/L＝(μ/k)·v+(ρβ/2)·v2(3)
上式中，μ为液...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪秋婷，沃奇中，戚伟，肖铎，刘泓，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33