一种液流电池电极电流密度分布的原位检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种液流电池电极电流密度分布的原位检测方法及装置，采用全内反射光学系统对液流电池的电极表面成像，根据图像中不同位置的光强度变化，获得电极电流密度分布情况。本发明专利技术将光学全反射系统与液流电池之间无缝配合，实现电池运行过程中电极表面成像和电流密度的原位检测，得到不同情况下电极电流密度的二维分布及演变过程，为改进电池性能提供原位检测工具。

【技术实现步骤摘要】
一种液流电池电极电流密度分布的原位检测方法及装置
本专利技术涉及检测
，尤其涉及一种液流电池电极电流密度分布的原位检测方法及装置。
技术介绍
储能技术是新能源体系的重要组成部分。液流电池作为一种大规模储能技术，具有高容量、寿命长等特点，因此，优化液流电池性能是行业内普遍追求的目标。现有研究方法多是通过检测，给出电池整体平均性能，并不能明确局域空间分布差异对电池性能的影响。局域电流密度分布是表征电极反应速率和电池可持续性的直观因素，其主要受到电极空间活性分布和电解液流场分布影响。而电极自身的多孔性、渗透性、厚度、比表面积等均可能导致电极活性空间分布存在差异；电解液的组成、浓度等性能、电池结构的设计也影响电解液流场分布。由于影响电流密度的因素复杂，因此对其进行原位定量检测是十分必要的。传统的原位检测方法主要是电学方面的霍尔传感器(J.Electrochem.Soc.,2004,151,A394–A398)、分路电阻器(J.Electrochem.Soc.,2003,150,A79–A85)和印刷电路板(J.Appl.Electrochem.,1998,28,663–672)等，这些方法相对复杂繁琐，且电学检测本身有可能对电池运行造成干扰，影响检测准确性，同时空间分辨率有限。而光学方法，具有高灵敏度、高分辨等特点，是实现液流电池电极电流密度分布测量的有效方法。申请人此前提出了“一种液流电池电极局域反应活性的在线检测方法及装置”专利(申请号201811617909.6)，该专利主要是利用表面等离子体共振技术提供一种液流电池电极活性的表征方法。考虑到电池运行过程中的空间电流密度分布能体现液流电池性能，本专利技术提出采用全反射技术来实现对液流电池运行过程中电流密度二维分布的原位检测，并通过控制变量法研究电极活性分布和电解液流场分布对电流密度分布各自的影响，这样能为进一步探讨影响这两个分布的因素提供技术工具。
技术实现思路
针对上述现有技术的缺陷，本专利技术提出了一种液流电池电极电流密度分布的原位检测方法，采用全内反射光学系统对液流电池的电极表面成像，根据图像中不同位置的光强度变化，获得电极电流密度分布情况。具体地，检测的步骤包括：第一步，调试全内反射光学系统至对电极表面能够实现清晰成像，记录电极图像；第二步，对液流电池进行充放电测试，同时采集随时间变化的电极图像，保存为图像组；第三步，将采集到的图像组中各位置的光强绘制出光强随时间的变化曲线；第四步，将得到的各位置的光强变化曲线转化为电流密度绝对值变化曲线；第五步，抽取各位置的曲线中同一时间位置处的电流密度值绘成电流密度分布图。进一步地，在第五步后，还包括：保持电极与棱镜接触情况不变，改变电解液的流场分布，得到该电极在不同流场情况下的电流密度分布图组的步骤。进一步地，还包括：保证电解液的流场分布不变，更换不同活性的电极，得到同一流场不同电极活性分布情况下的电流密度分布图组的步骤。进一步地，所述改变电解液的流场分布的方式为，改变电解液流入口、流出口的位置，和/或改变流速。本专利技术还提出一种液流电池电极电流密度分布的原位检测装置，采用全内反射光学系统对电极表面成像，所述全内反射光学系统包括入射光模块1，棱镜2，以及成像探测模块3；其中，所述入射光模块1用于提供平行的p型偏振光，所述棱镜2与待检测液流电池的电极42a紧密接触。进一步地，还包括棱镜夹模块51和固定块52，所述待检测液流电池包括电池容器43，所述电池容器43与电极42对应位置为中间开口，在待检测的电极42a一侧还设置有垫圈481；所述棱镜夹模块51和所述固定块52相配合，通过螺丝将棱镜2、垫圈481、待检测的电极42a紧密连接。进一步地，所述电极42的侧面具有一台阶部，集流体421与所述电极42的台阶部接触。进一步地，所述待检液流电池正负极之间由隔膜41分开，隔膜两侧的电池容器43分别具有液体流入、流出孔，电解液由储液罐45经蠕动泵46由导管泵入电池容器43。进一步地，所述待检测的液流电池为全钒液流电池，所述电极42为碳毡。本专利技术的有益效果为：将光学全反射系统与液流电池之间无缝配合，实现电池运行过程中电极表面成像和电流密度的原位检测，得到不同情况下电极电流密度的二维分布及演变过程，为改进电池性能提供原位检测工具。附图说明图1为p型和s型偏振光的全反射曲线图。图2为液流电池电极电流密度分布的原位检测方法流程图。图3为液流电池电极电流密度分布的原位检测装置框图。图4为液流电池电极电流密度分布的原位检测装置结构图。图5a为棱镜与液流电池组合图。图5b为棱镜与液流电池展开图。图6a为本专利技术的电极与集流体连接方式示意图。图6b为传统的电极与集流体连接方式示意图。图7a为液流电池电极电流密度分布的原位检测方法示意图。图7b为原位检测不同流场下的电流密度分布示意图。图7c为原位检测不同电极的电极活性差异示意图。图中附图标记含义为：1-入射光模块，11-光源，12-物镜，13-光阑，14-准直透镜，15-滤光片，16-偏振片，2-棱镜，3-成像探测模块，31-成像透镜组，32-面阵CCD，33-电极成像示意图，4-电池装置模块，41-隔膜，42-电极，421-集流体，43-电池容器，44-充放电仪，45-储液罐，46-蠕动泵，47-垫片，481-垫圈，482-中空垫板，483-整片垫板，484-螺母，485-螺丝，51-棱镜夹模块，52-固定块。具体实施方式本专利技术采用棱镜耦合的全内反射(TIR)光学系统。根据全反射公式其中，na为界面处光疏介质的折射率，np为界面处光密介质的折射率，通过理论模拟计算，p型和s型偏振光的全反射曲线如图1所示，na为界面处分析物的折射率，np为界面处耦合棱镜的折射率。θTIR为全反射角，θs为全反射角附近灵敏度最高对应的角度。在全反射角附近，p型偏振光曲线(图1中实线)更陡峭，具有较高的灵敏度。在本专利技术中，光密介质为耦合棱镜，其折射率np不变，当入射光波长一定和入射角θs为全反射角附近灵敏度最高的角度时，光强变化在θs附近具有很高灵敏度的线性范围。因此，采用此线性范围的p型偏振光用于成像和检测，使得界面处的分析物折射率na的变化体现为反射光光强的变化，被TIR系统灵敏检测。由于在电池运行过程中主要存在发生氧化还原反应引起的法拉第电流，所以活性物质价态变化使得电解液折射率发生改变。TIR信号与电流密度的关系为：其中n为发生氧化还原反应的电子数量，F为法拉第常数，B为TIR信号对体折射率变化的灵敏度，αR和αO分别为还原物和氧化物单位浓度变化引起的折射率变化量，DR和DO分别为还原物和氧化物的扩散系数，L-1为逆拉普拉斯变换，为TIR信号的拉普拉斯变换。因此，可基于上述公式得到电池运行过程中电极电流密度的二维分布变化。图2是本专利技术的主要实施流程图，首先利用TIR光学系统对电极表面成像S1；然后借助充放电仪对液流电池充放电，以研究液流电池运行过程中不同充电状态下电极处折射率变化，在充放电期间持续采集电极图像，形成电极图像组S2；根据图像组中各位置的光强绘制各位置光强随时间的变化曲线S3；再将得到的各位置的光强变化曲线转化为电流密度绝对值变化曲线S4，抽取各位置的曲线中同一时间位置处的电流密度值绘成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液流电池电极电流密度分布的原位检测方法，其特征在于，采用全内反射光学系统对液流电池的电极表面成像，根据图像中不同位置的光强度变化，获得电极电流密度分布情况。

【技术特征摘要】
1.一种液流电池电极电流密度分布的原位检测方法，其特征在于，采用全内反射光学系统对液流电池的电极表面成像，根据图像中不同位置的光强度变化，获得电极电流密度分布情况。2.根据权利要求1所述的原位检测方法，其特征在于，检测的步骤包括：第一步，调试全内反射光学系统至对电极表面能够实现清晰成像，记录电极图像；第二步，对液流电池进行充放电测试，同时采集随时间变化的电极图像，保存为图像组；第三步，将采集到的图像组中各位置的光强绘制出光强随时间的变化曲线；第四步，将得到的各位置的光强变化曲线转化为电流密度绝对值变化曲线；第五步，抽取各位置的曲线中同一时间位置处的电流密度值绘成电流密度分布图。3.根据权利要求2所述的原位检测方法，其特征在于，在第五步后，还包括以下步骤：保持电极与棱镜接触情况不变，改变电解液的流场分布，得到该电极在不同流场情况下的电流密度分布图组。4.根据权利要求2或3所述的原位检测方法，其特征在于，在第五步后，还包括以下步骤：保证电解液的流场分布不变，更换不同活性的电极，得到同一流场不同电极活性分布情况下的电流密度分布图组。5.根据权利要求3任一项所述的原位检测方法，其特征在于，所述改变电解液的流场分布的方式为，改变电解液流入口、流出口的位置，和/或改变流速。6.一种液流电池电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘乐，马凯捷，张雨浓，席靖宇，何永红，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44