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1、中国科 学院 率先行动“ 百人计划” 青年俊 才 （C 类）候选人 备案表 单位名称：中国科学院金属研究所 联系人： 刘宇翔 联系电话：024-23971503 电子邮件： 候选人姓名 唐奡 性别 男 出生年月 1984年 7月 年龄 32 证件名称 身份证 证件号码 210603198407126519 联系电话 13704099651 电子邮件 全职到岗工 作时间 2016年 5月 执行年限 2016年 5 月至 2020 年 4 月 获博士学位 单位 中文 新南威尔士大学 博士 学位 专业 中文 化学工程 获博士 学位国 别 澳大利亚 英文 University of New Sou
2、th Wales 英文 Chemical Engineering 获博士 学位时 间 2014 年 3 月 招聘前工作 单位 中文 华易能源有限公司 招聘前 岗位 中文 技术总监 英文 Vanadis Energy Ltd 英文 CTO 招聘岗位 项目研究员 学习、工作经历 起止时间 学习、工作单位 职务 2003.9 2007.7 东北大学 本科/学士 2007.9 2009.7 东北大学 研究生/ 硕士 2010.7 2013.9 新南威尔士大学/University of New South Wales 研究生/博士 2013.9 2014.7 新南威尔士大学/University of
3、 New South Wales Post-doc Research Associate/博士后 2014.7 2015. 9 华易能源有限公司 技术总监 学习、工作经历不连续的原因 2009.9 2010.7 东北大学博士在读 后退学出国攻读博士学位 2015.9 2015.12 求职 2016.1 至今 中科院金属研究所 应用电化学研究组 临时工作人员（等待招聘） 主要学术成果（列举 1-3项具有突出创新思想的研究成果，可扩展） 申请人主要从事液流电池和电化学过程数值模拟和系统优化控制研究。全钒液流电池系 统各部件材料属性和设计会引起诸如钒离子透过离子膜扩散、析氢析氧副反应，旁路电流、 钒
4、离子热沉淀等一系列问题，严重影响液流电池系统效率和容量平衡，针对这些问题，申请 人在利用物料和能量守恒的基础上，结合菲克定律、基尔霍夫定律等表达式来描述各关键问 题的机理，建立全钒液流电池的系统模型，首次从理论层面认知和深入分析了部分关键材料 属性对系统性能的影响，取得了一系列创新成果。简述如下： 1） 揭示了透过离子膜扩散导致的自放电反应机理，首次提出预测容量衰减和自放电热量的 数学模型 离子交换膜是液流电池中最关键的部件之一，其对离子的选择性极大的影响液流电池长 期运行的容量衰减。理论上，全钒液流电池中的离子膜应仅允许氢离子通过，但受到离子膜 选材和制备制约，钒离子也会在浓差的作用下透过离
5、子膜扩散并相互间反应形成自放电现 象，虽然数量级很小但是长期运行会逐渐导致正负极容量失衡并且引起电堆内部温度急剧升 高，因此，研究离子膜扩散系数对容量失衡的影响对钒电池运行效率和寿命有着重要意义。 针对上述问题，申请人首次提出了利用质量守恒定律、能量守恒定律和菲克定律建立钒电池 各价态钒离子浓度对时间的常微分方程组，并利用计算机软件求解模型和预测钒电池正负极 容量的动态特性和失衡状态变化，为容量再平衡设计提供了重要理论基础；同时，提出了钒 离子透过离子膜之后产生的多各自放电反应方程和放热机理，利用数字求解成功预测了自放 电条件下电堆内部温度的变化规律，揭示了钒电池在满充状态下热管理控制系统的重
6、要性。 这一工作成功的将电化学、材料和过程控制紧密联系起来，为液流电池从实验室原型机到工 业化产品的转化提供了重要的指导和思路。相关研究成果发表在 J. Power Sources 2011, 196, 10737-10747和 J. Power Sources 2012, 216, 489-501，前者还被 SCI评为高被引论文。 2） 首次建立热力学动态模型揭示了材料属性和系统结构对电解液温度变化的影响 液流电池电堆内部离子膜、石墨毡和溶液的电导率决定了电池内阻，在充放电条件下内 阻会释放热量并使得电池电解液升温，超过一定临界条件时会产生五价钒离子析出和沉淀， 导致液流阻塞和容量衰减等问题
7、，并且热沉淀无法通过降温再溶解，因为，利用计算模拟分 析溶液温度在不同材料、结构和运行条件下的变化对液流电池安全高效运行有着重要意义。 基于钒电池各部件材料属性和结构，申请人分别采用电池循环实验测得可靠的电池充放电内 阻，根据各部件所选材料导热性和系统结构计算热传导系数，利用基尔霍夫定律构建模型计 算旁路电流放热量，构建日均环境温度变化模型，进而建立液流电池系统整体热力学模型， 从而实现了对电池内部电解液温度在不同运行条件下变化的分析与预测。这一原创性工作填 补了对液流电池内部溶液温度变化规律认知的空白，成功的揭示了材料属性等因素对电解液 温度变化的影响，为全钒液流电池材料选型和改进提供了理论
8、依据。相关研究成果发表在 J. Power Sources 2012, 203, 165-176; J. Power Sources 2012, 216, 489-501; J. Power Sources 2013, 242, 349-356; ChemPlusChem 2015, 80(2), 368-375。 同时，申请人利用研究成果建立了全钒 液流电池热力学仿真平台（Vanadium Flow Battery Thermal Simulation Package） , 并由澳大利 亚新南威尔士大学商业化推广机构 UNSW Innovation 负责授权与推广。 3） 首次阐释液流电池材
9、料、结构、浓差极化和流速间的相互制约机制，并提出系统效率优 化方法 液流电池的系统效率是应用中最重要的指标，其取决于电池本身的能量效率和磁力泵的 能量损耗，因此如何实现系统效率最优化，对液流电池的应用具有重要的实际意义。针对这 一问题，申请人首先分析了影响泵功率损耗的系统压降，发现了系统压降主要来自于电极材 料的孔隙率和压缩比，其次来自电堆狭长的流道设计，在高流速的运行条件下，磁力泵的能量损耗会随之增加；同时，电极表面的电化学浓差极化电压会导致充放电早熟切断，而高流 速可以减少浓差极化电压，继而增加电压效率和能量效率，因此最优化系统效率需要考虑电 极材料属性和表面电化学浓差极化的双重影响。其次
10、，建立了系统动态模型并利用数值模拟 分析了不同流速运行条件下系统效率的变化规律，提出了基于模拟分析的最优化流速设定方 法，从而实现了系统效率的最大化。相关研究结果发表在 J. Power Sources 2013, 242, 349-356 和 J. Power Sources 2013, 248, 154-162中，其中后者被 SCI数据库列为高被引论文。在相关 科研成果的基础上，申请人还开发了全钒液流电池系统设计和效率仿真平台 （Vanadium Flow Battery Design and Efficiency Simulation Package）,以及基于 NI 的全钒液流电池控制
11、系统 （Vanadium Flow Battery Control System） ，由澳大利亚新南威尔士大学商业化推广机构 UNSW Innovations 负责授权与推广。 申请人以第一作者发表期刊论文 7篇，包括 Journal of Power Sources (5), ChemPlusChem (1)，Industrial 会议论文 1篇， 并受邀在国际液流电池研讨会 （2012 International Flow Battery Forum） 做专题演讲； 商业化科技成果 3项 ，包 括“ Vanadium Flow Battery Design and Efficiency S
12、imulation Package” , “Vanadium Flow Battery Thermal Simulation Package” , “Vanadium Flow Battery Control System”; 作为参与人参加了澳大利亚 ARC 科研基金项目 1项；获得了国家 公派留学奖学金，新南威尔士大学 Travel Scholarship 等奖励；申请人的原创性科研成果受到 了美国西北太平洋实验室、德国弗劳恩霍夫研究院等国内外同行的跟踪研究。 拟开展的工作（可扩展） 申请人未来将以电化学储能系统模拟与优化研究为研究方向，建立电化学储能系统模拟仿 真平台，构建可描述电化学储
13、能系统的机理模型及电气模型，模拟分析电化学储能的物理化 学过程和动态响应特性，探索关键材料物理特性和系统结构优化设计对电流密度分布和系统 运行效率的影响，致力于电化学储能系统关键部件材料的研发和改进，以及高效储能系统的 制造及并网应用研究。依托应用电化学课题组，研究将以液流电池为切入点，并逐步延伸到 其他电化学储能系统，循序渐进开展研究工作，具体研究内容如下： 1）电化学储能系统结构设计优化研究 电化学储能系统产业化的基础是关键材料物性，产业化的关键是系统结构设计，优化的 结构设计可以显著提高系统效率并有效降低制造成本。液流电池除了包含电场、浓度场、温 度场、电化学反应之外，还受到流场的影响，
14、是一个典型的多物理场耦合的过程。电流密度 分布和流速分布特性随材料的物理特性和结构设计（如电极压缩比、电极几何造型）而变化， 分布特性较差会导致局部副反应的产生，严重影响系统效率和电池材料寿命。因此，研究结 构优化设计对电流密度和流场分布特性的影响，将成为未来电化学储能及液流电池的热点， 同时该研究也可以指导电极材料、离子交换膜等关键部件材料的改进和设计，是电化学储能 系统走出实验室转化为产业化产品的重要环节。 在此背景下，申请人将利用基于有限元分析法的三维模拟仿真与实验相结合的方式，开 展电化学储能系统结构设计优化研究，研究内容包括： 建立传热、传质、传动量、电化学反应等多物理场耦合的多维电
15、化学储能物理模型； 模拟分析材料物理特性对电池内部电流场和流场分布的影响机制； 模拟深度充放电状态下，电池反应区在不同几何结构下电流密度、极化电压和流速的分布规律； 搭建实验平台验证模拟结果，优化液流电池电堆几何结构和制造工艺； 研究目标： 确定不同操作条件下电化学储能系统核心变量瞬态分布特性； 掌握最优化液流电池电堆结构设计与制造工艺； 搭建通用电化学储能系统多维空间仿真模拟平台； 2）电化学储能系统动态特性与集成应用研究 优化的材料属性和结构是电化学储能系统应用的前提条件，而电化学储能系统（以全钒 液流电池为例）在并网运行及长期多变运行条件下的运行效率和寿命，则会受到内部固有属 性（如自放
16、电、副反应、温度等）和外部操作（如过充电、充放电模式等）的影响，与此同 时，由于电化学储能系统多为封闭的结构设计，重要变量如反应物浓度、组分、电池内部温 度等无法精确在线获得，因此，利用物理模型和电气模型，研究电化学储能系统重要变量在 并网应用及长期多变运行条件下的动态特性，对电化学储能系统的安全、高效、稳定运行具 有重要的意义，同时也为基于模型的电化学储能控制系统和并网分布式控制系统设计提供了 必要条件，是电化学储能产业化应用的核心问题。 在此背景下，申请人将在前述的电化学储能关键材料与结构设计优化研究工作的基础 上，开展电化学储能系统动态特性与集成应用研究，研究内容包括： 确定管路延迟性、溶液迁移等影响电化学储能系统动态特性的关键因素； 明确上述关键因素的机制，建立可描述其动态特性的机理模
