2026年9月2日，来自滑铁卢大学的研究人员开发了一种新型3D 打印电极设计，它可以更轻松、更安全地存储来自风能和太阳能发电场的大量可再生能源。
相关研究以题为“Enhancing Mass Transport in RedoxFlow Batteries with 3D-Printed Triply Periodic Minimal Surface ElectrodeStructures/利用3D打印的三重周期最小表面电极结构增强氧化还原液流电池中的质量传输”的论文发表于《储能杂志》上。研究团队由滑铁卢大学教授马克西姆·范德海登博士领导。
研究团队从自然界结构中汲取灵感，重新设计了氧化还原液流电池（RFB）的关键部件。液流电池是一种能够储存电能以供后续使用的技术。新的设计有助于电池液更高效地流动，从而使储存和释放能量的化学反应更有效地进行。
马克西姆·范德海登手持一个经热处理制成碳电极的3D打印结构。图片来源：滑铁卢大学
氧化还原液流电池的工作原理与手机、电动汽车和许多储能系统中常见的锂离子电池不同。这些电池使用水基电解液，而不是锂离子电池中使用的易燃材料，因此它们可能成为大规模储能更安全的替代方案。氧化还原液流电池是锂离子电池的补充技术，适用于大规模储能应用。水基电解液是更安全的储能选择，能够满足例如为社区和电网持续供应可再生能源等大规模储能需求。滑铁卢大学化学工程教授范德海登表示：“它们不是将能量储存在固体材料中，而是将能量储存在外部储罐中的液态电解质中。只需使用更大的储罐即可增加储能容量，这使得它们非常适合大规模可再生能源存储和电网应用。”
△实验室氧化还原液流电池：反应器、电解液罐、泵和恒电位仪。（图片来源：滑铁卢大学）
随着越来越多的电力来自可再生能源，这种灵活性可能变得越来越重要。风能和太阳能发电具有间歇性，因为它们并非总能在需要时发电，这就需要能够储存多余能量并回输电网的技术。研究人员利用 3D 打印技术制造多孔RFB 电极，从而能够精确控制结构和流体流动。范德海登表示：“借助3D打印技术，我们可以设计出传统制造工艺难以实现的电极内部结构。这使我们能够更好地控制液体在电池中的流动方式，并使其到达发生储能反应的表面。”
一项关键创新是使用三重周期极小曲面 (TPMS) 几何体，这是一种复杂的、重复的三维形状，可以类似于自然界中发现的结构。研究人员测试了几种TPMS结构设计，发现其中一种被称为“Diamond”构型的几何形状设计效果最好，性能提高了 52%。然后，他们使用数字光处理 3D 打印机制造出多孔结构，进行热处理后形成能够导电的碳电极。研发团队在实验室流动池实验和实际运行的钒液流电池中成功测试了电极，证明了3D打印设计的电极能够在实际电池中发挥作用。这一概念验证有望为设计用于大规模储能的更高效的氧化还原液流电池铺平道路。
未来的研究将着重于增加电极的表面积、改进制造方法以及探索先进的设计工具，以创造更有效的电极结构。
来源：南极熊
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