钒电池机械失效以及力学对电化学作用机制数值分析

发布时间：2022-07-08 13:52

　　液流电池是目前最适用于大规模储能的电化学储能系统之一,在实际应用中通常由众多的单个电池堆以串联或并联的方式连接而成,每个电池堆则由数量繁多、结构各异的组件堆叠并紧固组装而成。这种堆叠组装方式以及电池结构使得液流电池具有一些不同于其他电池的特征,例如,由组件之间应力分布不当导致的电池堆漏液特性;由关键组件间堆叠紧密程度不同导致的电池接触内阻以及电极活性反应面积不同等特性。这些表明,由于其特殊的电池结构,液流电池中组件的力学状态不仅会影响电池的机械性能以及运行寿命,也会影响电池的电化学性能。因此,针对液流电池的机械失效以及力学对电化学作用机制的研究具有重要意义。本论文以液流电池中的典型代表全钒液流电池作为研究对象,通过建立三维结构力学模型以及力学与电化学三维耦合模型,结合实验分析,系统地研究了液流电池的力学特性以及电化学特性,特别是电池内组件的力学状态对电池机械失效、电池可靠性以及电池电化学性能的影响机制,有助于优化全钒液流电池的结构设计以及装配条件,对提升电池的机械性能、运行寿命以及电池效率起到至关重要的作用。本文针对全钒液流电池的机械失效以及力学对电化学作用机制,展开以下研究:首先,建... 

【文章页数】：112 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 选题背景
    1.2 氧化还原液流电池
    1.3 全钒氧化还原液流电池
        1.3.1 钒电池工作原理
        1.3.2 钒电池的结构
        1.3.3 钒电池的关键材料
        1.3.4 钒电池的技术特点
    1.4 钒电池的技术发展和研究现状
        1.4.1 钒电池的技术发展
        1.4.2 钒电池的应用发展
        1.4.3 钒电池存在的问题和研究现状
    1.5 电池的机械可靠性及研究进展
        1.5.1 锂电池的机械失效及分析
        1.5.2 燃料电池的机械失效及分析
        1.5.3 液流电池的机械失效及分析
    1.6 电池的力学对电化学作用机制研究进展
    1.7 论文的研究意义及内容
第2章 钒电池应力分布和材料失效的力学行为数值分析
    2.1 数值模型构建
        2.1.1 电池结构
        2.1.2 组件材料以及模型假设
        2.1.3 控制方程
        2.1.4 边界条件和初始条件
        2.1.5 网格独立性分析
    2.2 结果与讨论
        2.2.1 单电池的力学行为
        2.2.2 多电池电堆
    2.3 小结
第3章 基于力学行为和Weibull统计的钒电池堆失效分析
    3.1 实验与理论背景
        3.1.1 双极板及导流板的制备
        3.1.2 机械性能和拉伸试验
        3.1.3 Weibull统计理论
        3.1.4 失效概率计算
        3.1.5 有限元模型构建
    3.2 结果和讨论
        3.2.1 关键部件的Weibull统计
        3.2.2 电池堆的力学行为
        3.2.3 20组电池电堆的失效概率
        3.2.4 20组电池加厚板电堆的失效概率
    3.3 小结
第4章 装配力对钒电池电化学性能及机械可靠性的影响
    4.1 理论模型构建
        4.1.1 力学模型
        4.1.2 机械和电化学模型耦合
        4.1.3 物质传递与动力学
    4.2 实验与理论背景
        4.2.1 接触内阻的测量
        4.2.2 欧姆内阻和极化
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 钒电池装配体中电极的力学行为
        4.3.2 电解液的流动与传质
        4.3.3 活化极化和浓差极化
        4.3.4 接触电阻与欧姆极化
        4.3.5 电池电压和功率密度
    4.4 小结
第5章 结论
展望
参考文献
附录A 钒电池端板的力学行为分析
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果



本文编号：3657145