锌镍单液流电池封闭体系内循环动热质传递与电化学反应耦合机理研究

This project take three basic scientific problems as the research background, which is zinc nickel single flow battery present energy density is low, the cathode zinc repeat sedimentary accumulation (non-uniform distribution, dendrite growth) and zinc fall off from the electrode surface，battery side reaction make hydrogen and oxygen separate out.The revealing zinc nickel single flow battery internal flow, heat and mass transfer and electrochemical reaction coupling mechanism and related parameters influence law as the main research target, With material design and development and the flow, heat and mass transfer and electrochemical reaction coupling modeling analysis as the basic means, Proposed different solutions based on the problems and based on the data obtained from the experimental results, focus on the study of anode active material modification and the positive preparation to control oxygen separate out and increase the specific capacity, Porous zinc plating cathode and electrolyte additives to suppress hydrogen separate out and control the morphology of zinc repeated deposition, and by using high specific surface catalytic elimination of zinc electrode to eliminate zinc dropped out cathode surface, as well as using catalysis composite electrode to composite internal generating hydrogen and oxygen and realize the side reaction products internal circulation，and mastering the internal circulation flow，heat and mass transfer and electrochemical reaction coupling mechanism of zinc, hydrogen and oxygen in the sealed system of zinc nickel single flow battery. In original research results to laying the foundation for the technology regularity and the solutions of high specific energy, free maintenance of zinc nickel single flow battery.

本项目以锌镍单液流电池目前存在的能量密度低，负极锌重复沉积的积累(非均匀再分布、枝晶生长)与沉积锌的脱落以及电池副反应氢气、氧气的析出三个基础科学问题为研究背景，以揭示锌镍单液流电池内部动、热、质传递与电化学反应的耦合作用机理及相关参数影响规律为主要研究目标，以材料研制与设计和动、热、质传递与电化学反应耦合作用的建模分析为基本手段，在基于问题所提出不同解决方案及实验研究获得的数据基础上，重点围绕正极活性物质改性及多孔正极制备以控制析氧和提高比容量、负极多孔锌镀覆及电解液添加剂以抑制析氢和控制锌重复沉积的形貌、采用高比表面催化消锌电极以消除脱落锌，以及同时采用氢氧催化复合电极复合内部氢氧以实现副反应产物内循环等开展研究，掌握锌镍单液流电池封闭体系中锌、氢、氧内循环的传递与电化学反应耦合作用机制，以原创性研究成果为获得锌镍单液流电池高比能量、免维护的技术规律和解决方案奠定基础。

本项目以锌镍单液流电池目前存在的能量密度低，负极锌重复沉积的积累(非均匀再分布 、枝晶生长)与沉积锌的脱落以及电池副反应氢气、氧气的析出三个基础科学问题为研究背景 ，以揭示锌镍单液流电池内部动热质传递与电化学反应的耦合作用机理及相关参数影响规律与电极性能提升为主要研究目标，以电极材料设计、性能实验验证和动热质传递与电化学反应耦合作用的建模分析为基本手段，在基于问题所提出不同解决方案及实验研究获得的数据基础上，重点围绕正极活性物质改性及多孔正极制备以控制析氧和提高比容量、负极多孔锌镀覆及电解液添加剂以抑制析氢和控制锌重复沉积的形貌、采用高比表面催化消锌电极以消除脱落锌，以及同时采用氢氧催化复合电极复合内部氢氧以实现副反应产物内循环等开展研究。研究表明在正极镍晶格中掺入适当含量的其它金属离子代替镍离子，所形成的双氢氧化物α-Ni(OH)2能有效改善氢氧化镍正极材料的电化学性能，提高镍基电池整体比容量；在确定负极基材的前提下，通过优化的电解液，能进一步抑制负极锌在沉积及溶解过程中的自腐蚀，以提高电池整体荷电保持能力；通过建立的孔隙尺度多孔电极分析模型的及宏观尺度的单元电池及电堆分析模型等，获得了锌镍单液流电池多孔镍电极内部渗流、传质与电化学反应机理、负极锌枝晶生长演化的新认知，并掌握了电池充电电流密度、多孔正极厚度及多孔电极孔隙率等关键参数对电极内流动、传质和电化学反应的影响规律及作用机制。以原创性研究成果为获得锌镍单液流电池高比能量、免维护的技术规律和解决方案奠定了基础。