3D打印仿生电极让液流电池性能飙升52%，滑铁卢大学团队破解电网储能关键难题

滑铁卢大学的研究人员利用3D打印重新设计了氧化还原液流电池（RFB）的核心组件，制造出一种多孔电极几何结构，在实验室测试中性能比传统设计提升了52%。

这项研究由化学工程教授马克西姆·范德海登（Maxime van der Heijden）领导，荷兰埃因霍温理工大学与滑铁卢大学的研究团队共同参与。他们应用三周期极小曲面（TPMS）几何结构，可以更精细地控制液体电解液在电池中的流动方式，以及其到达储能反应发生表面的路径。

氧化还原液流电池将能量储存在外部储罐里的液体电解液中，而不是固体材料里。它使用水基化学体系，而不是锂离子电池中的易燃材料。这种结构让储能容量可以通过增加储罐体积来扩展。研究人员表示，随着越来越多电力来自间歇性的风能和太阳能，这一特性非常适合电网级可再生能源储能。「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体电解液中，」范德海登教授表示，「所需储存的能量只需通过使用更大的储罐即可增加，使其非常适合大规模可再生能源储能和电网应用。」

研究人员测试了多种用于多孔RFB电极的TPMS几何结构，发现「钻石」构型表现最佳。他们在数字光处理（DLP）3D打印机上制造了这些结构，然后对打印件进行热处理转化为导电碳电极。「借助3D打印，我们可以设计出使用传统制造方法难以实现的电极内部结构，」范德海登教授说，「这让我们能够更好地控制液体在电池中的流动方式，以及其到达储能反应发生表面的路径。」

值得注意的是，这项研究使用的是一台售价350美元的3D打印机。四种设计都采用相同的孔隙率——70%的开放空间，重复单元尺寸统一为1毫米。结果，菱形几何结构表现最好：流动模拟显示，它能把液体最均匀地分布到各个通道里，变异系数只有1.01；相比之下，立方体结构是1.43，死区更多，瓶颈通道也更多。在四种打印设计里，菱形比表面积最大，是立方体网格的1.47倍，电阻也最低。

再跟商业碳纤维毡电极放在一起比，差异就更明显了。在10厘米每秒的流速下，四种打印设计的压降只有每米14到80千帕，而碳纤维毡每米745千帕，几乎差了一个数量级。传统材料常常把高表面积和高流动阻力绑在一起，而TPMS几何结构似乎提供了一条部分绕开这种耦合的路线——代价是牺牲一点表面积，换来水力损失大幅降低。

除了形状，孔隙率也很关键。团队打印了孔隙率分别是90%、70%和50%的螺旋曲面电极。最开放的那个结构在所有测试流速下都优于最致密的那一个，虽然它的比表面积少了2.8倍。在中等流动条件下，90%孔隙率的螺旋曲面电极能做到每平方厘米134毫安的电流密度，而70%孔隙率的立方体电极是每平方厘米101毫安。看起来，对于化学反应本身比较快的电解液体系，宽阔的流动通道比增加额外表面积更重要。但研究人员提醒说，像钒这种反应动力学比较慢的体系，天平可能就会往另一个方向倾斜，因为更多的表面积能帮助补偿缓慢的反应。

说实话，表面积差距依然是打印电极最大的软肋。气体吸附测量显示，商业碳纤维毡单位体积的表面积大概是最好打印设计的10倍，这种优势在高流速下尤其明显，碳纤维毡在高流速下能产生更高的电流。另外，3D打印结构在热处理过程中会收缩，气体逸出还会让内壁变空，这样一来，精确确定最终的几何结构就变得更难了。

饶是如此，他们还是在完整的钒氧化还原液流电池里做了概念验证测试。在每平方厘米50毫安电流密度下，电压效率达到了76%。库仑效率比较低，只有71%，研究人员把原因归结为钒离子交叉渗透和副反应。刚性打印电极在组装时还可能会挤压隔膜，导致隔膜损伤，这让问题更复杂了。

这项研究揭示的基本权衡，对做液流电池电极的人来说应该不陌生。这种取舍划不划算，很可能要看电池里面具体装的是什么化学体系。研究人员建议，把这些打印技术和计算优化结合起来，未来也许能做出针对特定电池化学体系和运行条件定制的电极。这篇研究题为《通过3D打印三周期极小曲面电极结构增强氧化还原液流电池中的传质》，由Maxime van der Heijden、Mojtaba Barzegari、Joey Aarts、Baichen Liu和Antoni Forner-Cuenca共同完成。

类似的思路在其他地方也在出现。美国的加州大学洛杉矶分校，研究团队用树脂3D打印之后高温碳化，造出了锌离子混合电池的多孔碳电极。他们扩大碳骨架的内部表面积，再涂上一层氧化钒，得到的容量增益比同类器件高了七倍。这种低成本树脂3D打印再加后续热转化的路子，可能适用于多种电池化学体系里的结构化碳电极。

另外，美国的加州理工学院也用数字光处理（DLP）技术3D打印出了复杂的聚合物结构，然后在1000摄氏度下热解，做成锂离子电池的碳电极。这种方法能增加电极的质量负载，同时减少更厚传统电极所带来的传输长度惩罚，同样说明电极几何结构的控制可以用来解决性能上的权衡问题。