比利時研究人員漿料3D打印鈦基電極，峰值電流密度較傳統(tǒng)方法有所提升

2023年1月17日，南極熊獲悉，來自比利時和德國的工程師已經(jīng)成功地展示了使用鈦基漿料來生產(chǎn)和測試電池電極的過程，并證明了與傳統(tǒng)制造的解決方案相比，漿料3D打印技術(shù)能夠提高所生產(chǎn)電極的峰值電流密度。

相關(guān)研究成果以題為“Titanium-Based Static MixerElectrodes to Improve the Current Density of Slurry Electrodes /用于提高漿料電極電流密度的鈦基靜態(tài)混合器電極”的論文被發(fā)表在本周的《ChemElectroChem》期刊上。

論文鏈接：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202200928?af=R

漿料3D打印電極

用于3D打印電極的“漿料”電極是將導(dǎo)電材料懸浮在液體介質(zhì)中制成，類似于固體顆粒懸浮在漿料中的液體中。

使用術(shù)語“漿狀電極/ slurry electrode”是因為它描述了電極材料的物理狀態(tài)：電極材料是液體介質(zhì)（諸如水的電解質(zhì)）和懸浮在其中的固體顆粒（如石墨的導(dǎo)電材料）的混合物。這與其他類型的電極相反，例如固體電極或液體電極，其中電極材料處于不同的物理狀態(tài)。

這些類型的電極通常用于電化學(xué)系統(tǒng)中，其中需要液體介質(zhì)才能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，例如燃料電池、電池和電鍍過程。在這項研究項目中，應(yīng)用是生產(chǎn)釩液流電池（VRFB）。

△靜態(tài)鈦基混合器鍍上石墨涂層前（頂部）后的對比。圖片來源：Persin

鈦基混合器通常與集電器結(jié)合使用，這有助于將電荷從電極轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的其他部分。復(fù)雜的流量分配器用于改善集流體和漿料顆粒之間的電荷轉(zhuǎn)移。

研究人員來自多個研究所，包括DWI-Leibniz互動材料研究所，安特衛(wèi)普大學(xué)和亞琛工業(yè)大學(xué)，使用間接3D打印來制造用于VRF的流量分配器。使用增材制造技術(shù)使他們能夠產(chǎn)生上圖中所看到的扭曲幾何形狀。

間接 3D 打印

VRFB是一種液流電池，它使用不同氧化態(tài)的釩離子來儲存能量。碳基紙或毛氈電極通常用于商業(yè)化的VRFB。研究人員通過將3D打印靜態(tài)混合器（SM）集成到電池的流道中，用漿料電極代替了這些電極，以改善集電器和漿料顆粒之間的電荷轉(zhuǎn)移。

靜態(tài)混合器是采用模具法制造的，具體制作步驟如下：

• 模具首先使用消費(fèi)級FDM系統(tǒng)打印，使用現(xiàn)成的可溶性長絲；
• 然后用糊狀物填充模具，該糊劑由79.4%的鈦粉，9%的環(huán)氧樹脂和11.6%的甘油組成；
• 在40°C固化3小時后，將模具溶解在甲苯中，形成不導(dǎo)電鈦靜態(tài)混合器（TiSM）；
• 最后，采用兩步法去除粘合劑并使鈦顆粒導(dǎo)電。該過程包括在 600°C 下加熱 TiSM 60 分鐘，然后在氬氣下在 1000°C 下再次加熱 60 分鐘。然后將TiSM樣品涂覆在石墨上，將其均勻地噴灑在兩面，然后在30°C的真空烘箱中干燥。
  

電池部件的集成制造

靜態(tài)混合器已集成到 VRFB 中，如下圖所示：

△VRFB組件。圖片來源：Persin

研究人員對電極進(jìn)行了各種測試，循環(huán)伏安分析表明，在分層和表面變形發(fā)生之前，最多可以噴涂七層石墨。結(jié)果表明，TiSM 電極上的石墨表面處理導(dǎo)致正極電解質(zhì)中的峰值電流密度高出三倍，負(fù)極電解質(zhì)中的峰值電流密度高出兩倍。

這項研究表明，靜態(tài)混合器在氧化還原流通池中使用漿液電極的作用可以改善電荷從集流體到顆粒的轉(zhuǎn)移。

與其他類型的電池相比，釩氧化還原液流電池具有幾個優(yōu)點(diǎn)，包括循環(huán)壽命長、能效高以及存儲大量能量的能力。它們也是不易燃、非爆炸的，并且具有廣泛的操作溫度范圍。這些特性使其適用于大規(guī)模儲能應(yīng)用，例如電網(wǎng)規(guī)模的儲能和可再生能源整合。最后，研究人員表示，這項成果有望促進(jìn)此類效果更好的可充電電池的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。