徐谦，江苏大学教授、博士生导师。近年来主要从事直接醇类燃料电池、非水系液流电池及电化学能源转换与存储的多尺度数值仿真方面的研究，开发了非水系电解液高效添加剂，提升了电池的能量密度；提出了多层多维梯度电极，提高了电池的功率密度与能量效率；开发了AI辅助的多尺度数值仿真模型，并实现了跨尺度界面的信息高效传递，提高了数值仿真效率与精确度。在能源动力及化工领域权威期刊Progress in Energy and Combustion Science、Chemical Engineering Journal、AIChE Journal、Renewable and Sustainable Energy Review、Applied Energy、Journal of Power Sources、Nanoscale等共发表SCI 收录论文150多篇，其中第一/通讯作者近100篇，论文最高影响因子36，共被SCI引用7000余次，H-index=39。申请发明专利30项，获授权14项，其中澳大利亚专利1项。独立撰写并出版英文学术专著1部（德国Lambert 出版社），主编国家级规划教材1部（机械工业出版社），参编教材1部。2016年入选江苏省 “六大人才高峰”人才计划，2020年、2022年获省厅级科技进步奖（均排名第一）。2021年~2024年连续入选斯坦福大学"World's Top 2% Scientists"。2023年入选“江苏省科技副总”。担任国际期刊PROCESSES，Carbon Footprints编委会委员，是两个能源类专刊的客座主编/召集人(International Journal of Green Energy,
Frontiers in Energy Research)，是多个国际国内期刊审稿人。现为中国化工学会会员，中国工程热物理学会会员，中国内燃机学会储能专委会委员，江苏省新能源汽车及零部件工程研究中心学术委员会主任。主持及完成国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目及企业委托横向项目20项。本文总结了徐谦教授2024年度在液流电池领域的相关文章。1.一种在平面内/穿过平面方向的梯度电纺电极结构用于非水系铁钒液流电池![]()
为了提高非水氧化还原液流电池(RFB)的性能，必须协同提高流动/传质效率和多孔电极中过电位分布的均匀性。本研究开发了静电纺丝技术，提出了一种新型多孔电极，并将其应用于深度共晶溶剂(DES)电解液基铁钒RFB。一方面，新的面内梯度设计改变了膜附近电极活性物质的分布，从而降低了极化损耗。另一方面，从流场侧到膜侧的电极孔隙率的增加实现了电荷转移和电解液流动阻力之间的平衡。实验结果表明，与石墨毡电极相比，在电流密度为10mA cm-2时，三维梯度电极的能量效率提高了74.2%。此外，数值模拟揭示了三维梯度多孔电极的反应传递行为。结果表明，提出的三维梯度设计可以提高过电位分布的均匀性，实现极化电阻的降低，从而有效地改善了DES电解液基铁钒RFB的性能。![]()
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非水系氧化还原液流电池（RFB）的流场设计决定了多孔电极内电解质的流动和活性物质的传质，对RFB的运行有重要影响。在本工作中，提出了一种分形的树状流场设计用于深共熔溶剂（DES）电解液基铁钒RFB。分形树状流场能增强电解液对流，优化石墨毡电极内部活性物质的浓度分布，从而提高电池的整体性能。采用有限元模拟方法，建立了单电池的三维数值模型，对比研究了分形流场和蛇形流场条件下DES电解液基钒铁RFB的稳态放电过程。此外，通过组装该RFB的单电池，建立全电池测试系统，研究对比不同分形维数的分形流场与蛇形流场下RFB的输出电压和功率。数值计算结果表明，与传统的蛇形流场相比，分形流场可以提高RFB的放电功率，降低泵送损失。这主要是由于分形流场有利于减少极化损耗的同时加强多孔电极内部的对流。此外，数值研究结果还表明分形维数越大，泵送损失越小，输出电压越高。实验结果表明，与蛇形流场相比，分形流场可以提高RFB的输出电压和最大放电功率。本研究为DES电解液基钒铁RFB的流场设计提供了一种优化方法，并有望应用于其他非水系RFB。![]()
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氧化还原液流电池的电池管理系统实时监测电解液的流速、电池温度等参数，并在工况变化时进行参数调整，保证电池安全、稳定、高效、经济的运行。本文针对氧化还原液流电池的建模、参数估计、电池管理系统、能量分配等方面，从单电池、电堆、电池组三个不同的维度开展了综述和评价。在液流电池的大规模应用中，控制系统的存在不仅可以调节电池的输出功率，还可以保证电池的可靠性和安全性。可以说，液流电池的控制系统是电池安全、稳定、高效运行的基本保证，是液流电池的大脑。目前，有许多学者对液流电池电堆的控制系统进行了研究，但缺少针对单电池、电堆、电池组这种由小到大、由简单到复杂的思路进行的综述。本团队对不同规模电池的控制方法进行了充分调研，按照上述思路进行了综述。![]()
4.以更少的能耗实现更高的性能：非水氧化还原液流电池的间歇超声波介导操作模式![]()
作为氧化还原液流电池的可持续电解质，深共晶溶剂（DES）备受关注。尽管基于DES的电解质具有巨大优势，但其高粘度特性对其传质产生了负面影响，限制了电流密度和功率密度。超声波效应已被证明是改善传质特性的有效策略。在深共晶溶剂（DES）电解质中加入超声波可增强氧化还原活性离子的流动性，从而加速铁（III）/铁（II）氧化还原对的反应动力学。这种增强作用使其适用于基于非水电解质的氧化还原液流电池。然而，在实际应用中，有必要考虑超声波对电池内部结构的损耗，以及电池组件材料和超声波能量消耗的损耗。此外，持续延长超声波作用时间不仅难以显著改善电池性能，而且不利于节能和经济性。在这里，间歇式超声波被用来克服质量转移问题并降低运行成本。在保持良好的电化学性能提升的同时，能耗值降低了约50%。通过基本特性分析，设想了脉冲超声场在每个半电池上的机制和可视化。最后，对使用DES电解质的Fe/VRFB进行间断超声波活化的可行性进行了论证，证明其行为与连续超声波操作类似。因此，就能源成本而言，间断超声波场是一种更有效的运行模式，可避免过热或材料腐蚀等其他不良影响。![]()
5.使用算法通道生成和自适应网络模型的新型氧化还原液流电池流场设计及实验验证![]()
流场在氧化还原液流电池（RFB）中对提高功率密度起着至关重要的作用。传统的流场设计通常采用计算成本高昂的CFD模拟，以及基于设计者主观性的枚举法和试错法，这些方法已成为流场设计的瓶颈。本研究采用一种新的研究范式进行钒氧化还原液流电池（VRFB）流场设计，即建立自适应三维等效网络模型，并采用自主开发的流道生成算法，通过比较和筛选获得最佳流场。首先，利用自主研发的流道生成算法生成了由18135个流场组成的流道库。其次，通过自适应等效网络模型研究了各种流场下的电解质流动、物种传输和电荷传输，由于消除了网格划分，计算成本较低。第三，采用压降和电压效率来评估不同流场，以便通过比较和筛选获得高性能流场结构。所获得的高性能流场已经制作完成，并通过全面的实验验证证实了其高性能。在100 mA cm-2的条件下，高性能流场的能量效率比蛇形流场高出4%。该研究首次采用了自适应等效网络模型来生成和优化流道，为流道的选择和设计提供了参考。![]()
6. 用镍掺杂二氧化钛光阳极提高电燃料太阳能液流电池系统性能的研究![]()
能源系统的集成设计是国际能源低碳转型的一种实用而经济的解决方案。本作品设计并组装了一种带电燃料的太阳能液流电池。该系统直接将太阳能转化为电燃料，无需偏置电子元件，是一种可靠的可再生能源利用方式，具有成本低、重量轻、易于传输等特点。在该系统中，采用溶胶-凝胶法制备了不同含量和退火温度的掺镍二氧化钛光阳极。通过各种表征方法对光阳极的形貌、晶体结构和光电特性进行了研究。通过电流-时间曲线、线性扫描伏安法、Mott-Schottky图等测试评估了光阳极和电燃料太阳能液流电池系统的性能。结果表明，掺杂6%镍的光阳极在400°C下退火后可获得更高的光生自充电电流密度。仅依靠光阳极与电解质界面的自建电场，光电流就达到了2.5mA cm-2，这表明光阳极-电解质界面的电荷转移率得到了提高。在不增加电势的情况下，太阳能-化学能输出效率达到2.51%，高于目前的水性太阳能液流电池。此外，还进一步探索了光阳极-电解质界面，并量化了掺镍二氧化钛的能级。![]()
7. VRFB电堆流动-物质-热-电化学耦合模型及其在电堆温度控制策略中的应用![]()
在本工作中，建立了钒氧化还原液流电池（VRFB）电堆的多物理场电化学耦合模型，同时考虑了电解质流动、物质传递、电化学反应、分流电流以及热量的产生和传递。与其它VRFB电堆模型相比，该模型在考虑多因素影响更加全面。在此基础上，研究了电解液在电池间的流量分布。分析了分流电流、电池电流和电压的分布和变化规律。对温度分布和变化、产热和传热进行了研究。可以发现，在30℃的环境温度下，工作在60 A、100 mA cm - 2下，VRFB电堆温度会超过40℃，导致电解液离子沉淀，影响电池的性能和安全。为了将堆温控制在40℃以下，提出了一种新型储罐冷却控制策略，并确定了合适的起始冷却点和控制温度。与普通房间冷却策略相比，新型储液罐式冷却策略在20次充放电循环中降低了27.18%的能耗。![]()
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Wenxuan Fu, Qiang Ma, Zhenqian Chen, Huaneng Su, Huanhuan Li, Qian Xu. A
gradient electrospinning electrode structure both in the in/through-plane
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Consumption: Intermittent Ultrasonic-Mediated Operation Mode for Fe/V
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Novel flow field design for redox flow battery using algorithmic channel
generation and self-adaptive network model and experimental verification,
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Study on performance enhancement of electro-fueled solar flow battery system by
nickel-doped titanium dioxide photoanode, Energy Conversion and Management
301(2024)117997.
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Chen Yin, Mengyue Lu, Qiang Ma, Huaneng Su, Weiwei Yang, Qian Xu. A
Comprehensive Flow–Mass–Thermal–Electrochemical Coupling Model for a VRFB Stack
and Its Application in a Stack Temperature Control Strategy, Batteries
10(2024)347.
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