比利时研究人员浆料3D打印钛基电极，峰值电流密度较传统方法有所提升

2023年1月17日，南极熊获悉，来自比利时和德国的工程师已经成功地展示了使用钛基浆料来生产和测试电池电极的过程，并证明了与传统制造的解决方案相比，浆料3D打印技术能够提高所生产电极的峰值电流密度。

相关研究成果以题为“Titanium-Based Static MixerElectrodes to Improve the Current Density of Slurry Electrodes /用于提高浆料电极电流密度的钛基静态混合器电极”的论文被发表在本周的《ChemElectroChem》期刊上。

论文链接：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202200928?af=R

浆料3D打印电极

用于3D打印电极的“浆料”电极是将导电材料悬浮在液体介质中制成，类似于固体颗粒悬浮在浆料中的液体中。

使用术语“浆状电极/ slurry electrode”是因为它描述了电极材料的物理状态：电极材料是液体介质（诸如水的电解质）和悬浮在其中的固体颗粒（如石墨的导电材料）的混合物。这与其他类型的电极相反，例如固体电极或液体电极，其中电极材料处于不同的物理状态。

这些类型的电极通常用于电化学系统中，其中需要液体介质才能发生电化学反应，例如燃料电池、电池和电镀过程。在这项研究项目中，应用是生产钒液流电池（VRFB）。

△静态钛基混合器镀上石墨涂层前（顶部）后的对比。图片来源：Persin

钛基混合器通常与集电器结合使用，这有助于将电荷从电极转移到系统的其他部分。复杂的流量分配器用于改善集流体和浆料颗粒之间的电荷转移。

研究人员来自多个研究所，包括DWI-Leibniz互动材料研究所，安特卫普大学和亚琛工业大学，使用间接3D打印来制造用于VRF的流量分配器。使用增材制造技术使他们能够产生上图中所看到的扭曲几何形状。

间接 3D 打印

VRFB是一种液流电池，它使用不同氧化态的钒离子来储存能量。碳基纸或毛毡电极通常用于商业化的VRFB。研究人员通过将3D打印静态混合器（SM）集成到电池的流道中，用浆料电极代替了这些电极，以改善集电器和浆料颗粒之间的电荷转移。

静态混合器是采用模具法制造的，具体制作步骤如下：

• 模具首先使用消费级FDM系统打印，使用现成的可溶性长丝；
• 然后用糊状物填充模具，该糊剂由79.4%的钛粉，9%的环氧树脂和11.6%的甘油组成；
• 在40°C固化3小时后，将模具溶解在甲苯中，形成不导电钛静态混合器（TiSM）；
• 最后，采用两步法去除粘合剂并使钛颗粒导电。该过程包括在 600°C 下加热 TiSM 60 分钟，然后在氩气下在 1000°C 下再次加热 60 分钟。然后将TiSM样品涂覆在石墨上，将其均匀地喷洒在两面，然后在30°C的真空烘箱中干燥。
  

电池部件的集成制造

静态混合器已集成到 VRFB 中，如下图所示：

△VRFB组件。图片来源：Persin

研究人员对电极进行了各种测试，循环伏安分析表明，在分层和表面变形发生之前，最多可以喷涂七层石墨。结果表明，TiSM 电极上的石墨表面处理导致正极电解质中的峰值电流密度高出三倍，负极电解质中的峰值电流密度高出两倍。

这项研究表明，静态混合器在氧化还原流通池中使用浆液电极的作用可以改善电荷从集流体到颗粒的转移。

与其他类型的电池相比，钒氧化还原液流电池具有几个优点，包括循环寿命长、能效高以及存储大量能量的能力。它们也是不易燃、非爆炸的，并且具有广泛的操作温度范围。这些特性使其适用于大规模储能应用，例如电网规模的储能和可再生能源整合。最后，研究人员表示，这项成果有望促进此类效果更好的可充电电池的进一步发展和应用。