研究人员提出新的对流理论以理解电池的快速充电

MechSE副教授KyleSmith和博士生MdAbdulHamid最近在电源杂志上发表了一篇文章。

他们的研究“一种自下而上的多尺度理论，用于通过多孔电极超越伪稳态极限的氧化还原活性物质的瞬态质量传输”，表明传统理论方法低估了液流电池的功率容量，例如那些用于可再生能源发电。

“我们发现了一种新的方法来理解反应性多孔介质内部的对流是如何发生的，”史密斯谈到他们的理论时说，该理论提出将某些频率相关的传递函数引入电极微孔中发生的大规模质量传输。尽管传递函数通常用作控制理论中的数学工具，但它们以前从未在这种情况下应用或以这种方式导出。

两人在爆发之前就开始形成他们的理论，使他们的出版物获得了期待已久的成功。他们的理论为熟悉的传质和传热原理提供了新的思路——他们引入了光谱舍伍德数，这是一种传递函数，将传质薄膜定律扩展到瞬态条件。类似地，光谱努塞尔数扩展了牛顿对流传热冷却定律。两人将传递函数嵌入到放大模型中，以获得液流电池的时域响应。

“我们发现了对对流传热/传质中普遍存在的某些无量纲参数的新理解，”史密斯说。“据我们所知，我们第一次将这些想法从它们在时不变或稳态设置中的常规应用扩展到瞬态设置，以一种解释瞬态循环引起的微观动力学变化的方式。”

这项工作对化学、土木和石油工程界也很有意义，他们探索了理解其他多孔材料中传质的方法。“他们的方法以前没有应用于作为我们工作主题的电化学系统，”史密斯说。“然而，我们已经开发出一种相对简单的方法来模拟这些影响，方法是使用从详细的微观结构开始并扩大其影响以用于宏观尺度模型的公式。”

事实上，该团队的理论表明，液流电池可以在高于其极限电流的情况下短时间运行，这表明可以为这些循环条件设计更便宜、更轻的电池。

“这些发现不仅为准确预测现有液流电池的倍率能力提供了更好的建模方法，而且还为更高效的设计、操作方案和材料提供了指导，”哈米德说。

Smith和Hamid打算使用电化学将他们的理论应用于各种能源和环境设备的多孔电极的不同微观结构。他们接下来的步骤还包括将理论扩展到他们的出版物中所证明的条件范围之外。

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