【摘 要】
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大规模电能存储是实现可再生能源高效入网的瓶颈技术。在各种储能技术中,液态金属电池（Liquid Metal Battery,LMB）以其低成本、长寿命、高效率的优势而成为一种极具发展潜力的电化学储能新技术。液态金属电池具有三层全液态结构,该结构既赋予了液态金属电池快速的电极过程动力学和传输性质,也给电池带来了电磁流体动力学不稳定性。然而,由于电池工作在300-700℃的密闭环境,所以原位监测液态金
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大规模电能存储是实现可再生能源高效入网的瓶颈技术。在各种储能技术中,液态金属电池（Liquid Metal Battery,LMB）以其低成本、长寿命、高效率的优势而成为一种极具发展潜力的电化学储能新技术。液态金属电池具有三层全液态结构,该结构既赋予了液态金属电池快速的电极过程动力学和传输性质,也给电池带来了电磁流体动力学不稳定性。然而,由于电池工作在300-700℃的密闭环境,所以原位监测液态金属电池内部的多场耦合流动、物质传递和界面电化学行为及其交互作用是比较困难的。鉴于此,数值分析已成为研究液态金属电池工作机制的有效手段。但是,目前已报道的模拟工作大都仅仅聚焦于理想三层全液态电池模型,甚至仅就某一液态电极对其进行电磁流体动力学分析,还没有一个全面耦合电化学和电磁热驱动流动的完整液态金属电池模型,所以,构建一个全面耦合电化学和电磁热驱动流动的液态金属电池模型,已成为液态金属电池仿真领域中具有较大挑战性的热点课题。鉴于上述问题,本论文通过长期摸索,首次成功构建了耦合电化学和电磁热驱动流动的二维轴对称液态金属电池模型,研究了以锂铋体系为代表的液态金属电池的放电过程。本论文的研究内容包括多场耦合流动对放电过程的影响机制,电池在不同倍率下的放电行为,以及不同容量和负极结构下电池的放电行为差异。研究内容主要如下:首先,本论文通过首次耦合电化学和热磁驱动流动,并首次考虑了熔盐中的离子传递,构建了理想自分层的三层液态结构液态金属电池模型,从而首次研究了热磁驱动流动与电化学过程的相互作用机制。模拟结果表明,热驱动流动在流动中占据着主导作用,并且可以显著促进物质迁移,从而有效减小浓差极化。但磁驱动流动比较微弱,几乎不对电池的放电过程产生影响。与此同时,借助该理想化的全液态电池模型,本论文还分析了不同放电电流下电池的放电过程,表明增大电流虽能增强对流作用,但依旧会降低放电电压。接着,在前述物理模型的基础上,本论文以20 Ah容量电池为例,首次构建了基于电池实际拓扑结构的液态金属电池模型,更加准确地研究了热磁驱动流动对电池放电过程的影响。同时,基于该模型,首次探讨了马兰戈尼效应和外部磁场对放电电化学过程的影响。模拟结果表明,马兰戈尼效应对流场强度的影响较小,但在一定程度上可以抑制正极/熔盐界面附近的流动,使正极/熔盐界面的浓差极化略微增大,但对放电电压的影响较小。同时,尽管电池的自感应磁场对电池的影响较小,但是适当大小的外部磁场却能够强化对流作用,使放电电压显著增大。最后,本论文从容量放大和负极纵横比两个方面数值研究了几何结构对电池放电过程的影响。模拟结果表明,容量放大和负极厚度的增加都能增强对流作用,但也都会略微增加欧姆极化,使放电电压略微降低,从而从理论上解释了实际电池放大过程中出现的问题,并为负极结构设计提供了一定的优化思路。
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