埃因霍温理工大学和滑铁卢大学的研究人员使用一台售价350 美元的3D 打印机，制造出了具有精确设计内部几何结构的电池电极。其中一种特定形状——金刚石晶格——实现了比简单网格结构高出两倍以上的传质性能，同时产生的流动阻力也低得多。
该研究针对的是液流电池——一种电网级储能技术，通过将液态电解质泵送流经多孔碳电极来完成充放电过程。这类电池在存储风能和太阳能方面前景广阔，因为其功率和储能容量可以独立调节。
然而，目前商业系统中用作电极的碳纤维毡，虽然提供了较大的表面积，但其流动阻力如同致密的海绵。推动液体通过它们所产生的压降导致了泵送能耗，研究人员认为，采用数学曲面方程设计的电极结构可以显著降低这种阻力。
3D 打印电极的几何结构评估
为了验证这一想法，研究人员 3D 打印了四种不同形状的电极，并在 1000°C 下进行热处理，将聚合物转化为导电碳。该工艺使碳含量（原子占比）从 71.5% 提升至 94.2%。四种设计均采用相同的孔隙率（70% 开放空间）和重复单元尺寸（1 毫米），为比较不同架构提供了可控基准。在这四种结构中，金刚石几何形状表现最佳。流动模拟显示，它能使液体在通道中分布最为均匀，变异系数为 1.01，而立方体结构为 1.43，这表明死区和瓶颈通道更少。同时，它在打印设计中提供了最大的表面积（是立方体网格的 1.47 倍）和最低的电阻。
与商业碳纤维毡相比，差异更为显著。在四种打印设计中，流速为 10 厘米/秒时，压降范围为每米 14 至 80 kPa，而碳纤维毡的压降则高达每米 745 kPa。除了形状，研究团队还通过测试孔隙率分别为 90%、70% 和 50% 的螺旋曲面电极，探索了孔隙率对性能的影响。在所有测试流速下，最开放的结构（90% 孔隙率）表现优于最致密的结构，尽管其表面积减少了 2.8 倍。在中等流动条件下，90% 孔隙率的螺旋曲面电极电流密度达到 134 毫安/平方厘米，而 70% 孔隙率的立方体电极则为 101 毫安/平方厘米。
对于化学反应本身速度较快的电解质来说，拥有宽敞的流动通道似乎比增加额外表面积更为重要。研究人员提醒，对于钒等反应动力学较慢的化学体系，这种平衡可能会向相反方向倾斜，因为更大的表面积有助于补偿缓慢的反应。事实上，表面积差距仍是目前打印电极整体最大的弱点。气体吸附测量显示，商业碳纤维毡单位体积的表面积约为最佳打印设计的 10 倍。在高流速条件下，这种优势尤为明显，此时碳纤维毡能输出更高的电流。
通过数字光处理（DLP）技术3D打印的复杂电极几何结构。图片由加州理工学院提供。
此外，3D 打印结构在热处理过程中会发生收缩，并因气体逸出而形成中空内壁，这使得准确测定最终的确切几何形状变得困难。尽管如此，在全钒液流电池的概念验证测试中，该打印电极在 50 毫安/平方厘米的电流密度下实现了 76% 的电压效率。库仑效率较低，为 71%，研究团队将其归因于钒离子的交叉扩散和副反应，可能是由于装配时刚性打印电极挤压隔膜导致其受损而加剧的。这项研究揭示的基本权衡，对于任何从事液流电池电极研究的人来说都不陌生。传统材料往往将高表面积与高流动阻力捆绑在一起。三周期极小曲面几何结构似乎提供了一条绕过这种耦合的途径，即牺牲部分表面积来换取显著降低的流体阻力。
这种权衡是否值得，可能取决于电池内部的具体化学体系。研究人员建议，将这些打印技术与计算优化相结合，最终可能为特定的电池化学体系和运行条件量身定制电极。这项题为"利用 3D 打印三周期极小曲面电极结构增强液流电池传质"（Enhancing Mass Transport in Redox Flow Batteries with 3D-Printed Triply Periodic Minimal Surface Electrode Structures）的研究，由 Maxime van der Heijden、Mojtaba Barzegari、Joey Aarts、Baichen Liu 和 Antoni Forner-Cuenca 共同完成。
降低电池原型制作的准入门槛
在加州大学洛杉矶分校（UCLA），研究人员报告称，使用树脂 3D 打印结合高温碳化工艺，制备了用于锌离子混合电池的多孔碳电极。通过扩大碳骨架的内部表面积并涂覆氧化钒，他们实现了比同类装置高七倍的容量提升。其制造路径与埃因霍温研究中使用的工艺高度重叠，这表明低成本树脂 3D 打印结合热转化技术，可能在多种电池化学体系的电极结构设计中具有应用潜力。
此外，加州理工学院（Caltech）的研究人员使用 DLP 3D 打印技术制造了复杂的聚合物结构，并在 1000°C 下热解成用于锂离子电池的碳电极。这种方法使他们能够在增加电极活性物质负载量的同时，减轻与传统厚电极相关的传输距离损失，展示了如何利用对电极几何形状的控制来解决性能权衡问题。
来源：中国3D打印网编译文章！
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