Multiphysics Simulation of Multi-layered Fibrous Electrodes for the Vanadium Redox Flow Battery

多物理 流动电池 氧化还原 电极 材料科学 电池(电) 纳米技术 化学工程 化学 冶金 有限元法 工程类 热力学 物理 物理化学 功率(物理) 电解质
作者
Kyu Min Lee,Mehrzad Alizadeh,Takahiro Suzuki,Shohji Tsushima,Edward P.L. Roberts,Jeff T. Gostick
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ad7c85
摘要

Abstract Electrospinning can create customized flow-through electrodes for redox flow batteries with small fibers to enhance reactive surface area. A downside is higher pressure drop and parasitic pumping losses. Multilayered electrodes are a promising remedy, but it is not obvious what properties each layer should have to get the most benefit. In this work, a multiphysics simulation was used to explore the impact of varying the properties of each layer on the performance of a cell, including fiber size, fiber alignment, and porosity. The results showed that a 300% increase in limiting current can be obtained over commercial materials when the layer near the membrane has larger fibers with smaller fibers in each successive layer (1.8, 1.0 & 0.2um, respectively). This arrangement had relatively lower overall efficiency once pumping power was taken into account. A compromise was obtained by placing a high porosity layer near the membrane with lower porosity in each successive layer (91%, 86%, and 81%, respectively). This case resulted in a 250% increase in limiting current, while expending only 0.1% of the output power on pumping.

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