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前面。化学。Eng。,05一个pril 2023
秒。材料过程工程
卷5 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fceng.2023.1144237

制造流体电池使用先进的3 d打印技术审查

霁吴 ¹*和 www.雷竞技rebatfrontiersin.org

Shaowen徐²*

¹化学和生物化学,乔治亚南方大学,斯泰茨伯勒,美国佐治亚州
²机械工程系,乔治亚南方大学,斯泰茨伯勒,美国佐治亚州

在过去的十年中,电化学能量储存系统,如充电电池一直探索潜在候选人间歇性能源的大规模存储。其中,氧化还原流体电池由于其较低的制造成本,高可伸缩性和长循环寿命。几个氧化还原流体电池试点厂产能MWh构造的世界,虽然他们的商业盈利能力是目前正在接受调查。3 d打印技术作为一个新兴的技术提供了无限的机会的过程中优化设计、性能和氧化还原流体电池的制造成本比传统的自上而下的制造技术。本文论述了各种氧化还原流体电池的原理和3 d打印技术,其次是解释的优点、缺点,并使用3 d打印时需要考虑的主要因素建设高效氧化还原流体电池。3 d打印技术的实际应用与不同的氧化还原化学氧化还原流体电池在过去的十年是批判性的总结,包括古典all-vanadium、锌/ Br和新颖的竞争对手。最后,提供一个总结并展望可能提供有价值的指导科学家感兴趣的研究前沿。

1介绍

1.1的意义、原则和氧化还原流体电池的简史

不可再生能源目前主宰全球市场。2018年从美国能源部数据显示,> 80%的能源消费在美国来自天然气、石油和煤。全球变暖的恶化,气候变化和环境污染突出的紧迫性增加利用绿色能源,如太阳能、风能和潮汐的能量。然而,这些可再生能源是间歇性的,因此需要开发高效的能源存储系统平衡功率输出。电化学电池等储能(ee)系统最有前途的候选人间歇性能源的大规模存储,其中氧化还原流体电池(rfb)突出由于其较低的制造成本(∼25美元/千瓦时理论基础),高可伸缩性(多工作站系统)和循环寿命长(> 10000次)(李陆,2020)。洛克希德·马丁公司正在建造一个6.5兆瓦/ 52 MWh GridStar流电池储能系统(贝丝)存储在加拿大太阳能(https://www.energy-storage.news/first-megawatt-scale-pilot-for-lockheed-martins-flow-battery-at-solar-project-in-canada/)(Subburaj et al ., 2015)。

典型rfb包含一个阳极电解液、阴极电解液膜分离器,外部储罐,泵,和AC / DC逆变器(图1)。RFB的原则,就像那些古典如铅酸电池和锂离子电池,所有这些都依赖于可逆的氧化还原反应来储存和释放电能(阿里纳斯et al ., 2017)。阳极电解液减少,阴极电解液在电池充电过程中被氧化。存储的能量可以释放通过阳极电解液的氧化和减少阴极电解液当外部负载应用。然而,大多数redox-active化学物种rfb存在只有在解决方案和存储在外部坦克。他们通过多孔电极注入发生氧化还原反应。此外,必须离子选择性膜分离器禁止交叉redox-active物种;否则,储存能量可能自放电。相比之下,redox-active物种在商业锂离子电池插入到固体电极,如石墨和锂钴氧化物。因此,离子选择性膜不需要(金正日et al ., 2019)。

图1

图1。氧化还原流体电池的一般原理说明。复制下cc - - 4.0从克莱门特et al。(2020)。

rfb的平衡细胞潜力在室温下可以使用简化的能斯特方程计算如下所示:

E_{c} = E^{\emptyset} + \frac{0.05916}{n} 日志 \frac{C_{一个 n o l y t e}}{C_{c 一个 t h o l y t e}},

在哪里E_c在非标准条件下,细胞的潜在E^ϕ在标准条件下,细胞的潜在和n代表摩尔数在氧化还原反应的电子转移。实际上,其他因素比使用能斯特方程计算可以降低细胞的潜力,包括各种过电压和红外滴。IR源于阳极电解液的电阻下降,阴极电解液、膜分离器,在阴极和阳极和联系人。主要由于过电压发生1)在阳极和阴极极化的浓度;和2)阴极和阳极反应所需的活化能。浓差极化可以部分缓解通过促进湍流和优化流量达到最有效的大规模运输在电极表面。活化能可以显著减少通过使用有效的催化剂和表面化学。降低rfb的IR降和超电势能增加电压和能量输出自rfb的特定能量等于产品的能力和细胞的潜力。rfb的能力成正比的体积redox-active电解质和电子转移的数量。当电荷转移电阻电极动力学的病原反应步骤,知名Butler-Volmer方程支配rfb的最大电流密度。 When the mass transport of ions is the rate-limiting factor, the following equation applies to the limiting current density:

我_{马克斯} = K \times V^{x},

在哪里V电解液的线速度和吗K是一个经验常数。值得注意的是,指数x大大地影响流类型,例如,0.3为层流和紊流> 0.5 (阿里纳斯et al ., 2017)。换句话说,有效湍流效益更高的电流密度,有限的大规模运输离子(迈耶尔什et al ., 2003;Abbasi-Chianeh Shokrani, 2021)。

rfb的初始概念可以追溯到1970年代龚et al ., 2015)。虽然大小的氧化还原化学提出了rfb自那时以来,只有少数值得广泛调查实际应用,包括all-vanadium Zn-Br₂、Zn-air Fe-Cr, Zn-ferricyanide rfb。(韦伯et al ., 2011)研究all-vanadium RFB以来最广泛使用的钒离子对阳极液和阴极电解液可以规避redox-active离子的膜交叉问题,因此,极大地减少了RFB操作和维护成本(庞塞德利昂et al ., 2006)。许多飞行员植物all-vanadium rfb已报告在文献(沃尔什和庞塞德利昂,2018;Parnamae et al ., 2020)。不幸的是,没有丰富的钒地壳(∼100 ppm),这意味着该技术可能不是经济上可持续的大规模应用程序(小须鲸和图雷克,2018年)。最近,rfb的丰富的元素,包括Zn-Br₂、Zn-air Zn-polyiodide,非水有机rfb quinone-based,都已经被广泛地研究过了(佩里和韦伯,2016年;Zhang et al ., 2018)

1.2重要因素需要考虑氧化还原流体电池的优化设计

如前所述,液体电解质流经导电电极必须减少或氧化的电力逆变器。因此,多孔电极和大表面积的提高氧化还原反应效率,从而减少能源消耗需要反复泵电解质(阿里纳斯et al ., 2015)。如果毛孔太小(sub-mm),射流流动阻力增加指数以来停滞液体层的厚度与孔隙直径,这可能禁止反应物和产物离子的质量输运和停止氧化还原反应(陈et al ., 2008;德沃尔夫et al ., 2022)。因此,必须达到适当的平衡射流流量、电极电化学反应速率和孔隙大小获得氧化还原流体电池的优化设计。为了实现这个目标,实验试验不同的参数必须结合理论射流动态计算(Messaggi et al ., 2018)。

1.3 3 d打印技术的基础

3 d打印(加法制造的主要形式)是一种革命性的制造过程,是传统的反面减去过程。与去除材料的一块坚硬的材料,3 d打印技术创建一个产品的数码文件预先设计的计算机辅助设计(CAD)模型使用一层添加剂的过程。其中每一层的薄片截面设计模型。这不仅制造工艺提供了机会,快速原型制造的新产品设计,但也部分具有复杂几何不容易使用传统的制造方法。

广泛的材料可用于3 d打印技术,包括聚合物(聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯乙二醇(PETG)、热塑性聚氨酯(TPU),表面(PEI),聚醚醚酮(PEEK)、尼龙、金属粉末(铝、铜、青铜、铁、钨、钢、钛)纤维,聚合物树脂、陶瓷粉(如粘土,碳化硅,硅酸锆,和硼硅酸盐)纤维,金属(镍、钢铁、钴、钴铬、钛、铝、铜、钨)粉,陶瓷粉,和复合材料(如碳纤维HT解放军和充斥尼龙)。

许多3 d印刷过程有不同的原则已经被开发出来,包括材料挤压、粘结剂喷射,粉床上融合、物质喷射,增值税光聚合(有限元三维打印),定向能量沉积和纹理。每个流程只能适用于特定的材料。例如,材料挤压主要用于热塑性纤维,金属或陶瓷粉/热塑性纤维混合,和纤维/热塑性纤维混合。粉床融合是用于金属和聚合物粉末。粘结剂喷射应用于陶瓷、金属和聚合物粉末,而增值税光聚合和材料使用喷射打印UV-polymerizable树脂。3 d印刷机器的成本和质量取决于印刷工艺和印刷材料。材料挤压是最常用的印刷过程。打印机和灯丝的成本是最低的(200 - 1500美元^20.),但是表面光洁度(120μm - 280µm层厚度)(3 erp, 2023)和准确性(±200µm±500µm) (FORMLABS 2023)的印刷部分并不令人印象深刻。成本略高(500 - 110000美元)(中心,2023),材料喷射和增值税光聚合提供更好的准确性(±10µm±100µm) (FORMLABS 2023)和一个好的完成(10μm - 100µm层厚度)(3 erp, 2023)。相比之下,粉床融合,定向能量沉积,粘结剂喷射机(80µm - 120µm层厚度、精度±100µm±300µm) (3 erp, 2023)是相当昂贵,购买价格从20000美元到650000美元(FORMLABS 2023)。

最常见的材料挤压过程是熔融沉积成型(FDM),也称为熔丝加工(FFF)。FDM创建一个对象从CAD模型的数字文件选择性沉淀融化灯丝在平台通过挤出嘴一层一层地建造在一个预定的路径,直到它完成。对象也可以用两种不同的材料使用两个挤压喷嘴。花丝通常由纯粹的热塑性聚合物。金属/陶瓷零件可以使用金属制造(陶瓷)粉/聚合物混合纤维,其次是脱脂时间和烧结后处理。FDM范围广泛的材料,包括解放军、ABS、PETG、TPU,裴,PEEK,钢,铜,铜、铝、钛、碳化硅。Direct-ink-writing (DIW)是另一个材料extrusion-based 3 d印刷方法。而不是使用灯丝,液相油墨从一个很小的喷嘴和选择性地沉积,一层一层地。这种方法通常用于印刷精细结构内消旋/微尺度。

材料喷射一层的方式构建的一部分通过选择性地沉积和配药滴液体树脂用墨水打印头;这些水滴被紫外线照射同时凝固。同样,增值税光聚合创建一个部分有选择地固化液态光敏聚合物树脂以透明的贮槽、洗涤和UV固化后处理。这两个过程的每一层的厚度可以控制到10微米。因此,这个过程提供了精度高、细节和光滑的表面。粉床融合包括直接金属激光烧结(摘要),电子束融化(实证),选择性激光熔化(SLM),和选择性激光烧结(SLS)。在粉床上融合,一层薄薄的粉是构建平台,传播和激光或电子束用于选择性地融化,保险丝粉在一层平台。一层粉前层,然后传播和新层的一部分是由激光或电子束在前一层直到部分制造完成。PBF的粉末材料包括不锈钢、铝、钛、铜、铬、钴和尼龙。粘结剂喷射创建一个部分通过选择性地沉积liquid-binding代理打印头在一层薄薄的粉如陶瓷、金属、砂或复合材料。 A new layer of powder is then spread over the previous layer, and a liquid-binding agent is selectively deposited on the new layer. The process is repeated until the entire part is complete. Once the part is formed, the plastics must be cured. Like FDM, de-binding and sintering processes are required to create a strong solid 3D part for metal or ceramic powder. Directed energy deposition is a more complex material extrusion process typically used with metal in the form of wire or powder. The process deposits materials melted by a laser or electron beam onto a specified surface with a nozzle mounted on a multi-axis arm. This process is generally utilized to repair or add additional material to an existing structural part.

1.4 3 d印刷高效流电池:优点,缺点,主要因素需要考虑

由于过程的性质,3 d印刷提供了无限的机会来设计和制造复杂的结构化的部分,不能用传统的制造工艺。3 d打印技术可在数小时内完成制造,加快原型,并允许更有效的设计修改。3 d打印技术也允许采用轻质多孔结构的固体部分产品降低质量和成本,同时增加表面积。利用添加剂过程,3 d打印技术只使用部分所需的材料本身,没有或少浪费,节约能源和材料相比传统减去过程。从创建CAD模型开始,3 d印刷与multi-physics还允许集成建模与仿真在印刷前结构优化以提高性能和降低成本的设计产品。

然而,3 d印刷部分的大小可能会受到印刷平台或室的大小。此外,表面光洁度的3 d打印的部分通常是不满意而捏造的一部分的传统制造工艺;因此,后期处理需要达到所需的完成。由于分层技术印刷工艺,印刷部分不是同质层界面是散装材料相比相对较弱。因此,部分可以分层在一定载荷条件下沿界面。这个问题可以改善金属零件的热处理。另一个潜在的问题是3 d打印部分的准确性。由于低公差的打印机或部分后处理后收缩,最终尺寸可能不同于最初的设计。因此,所有的潜在因素维度变化创建初始设计时应该考虑。最后,3 d打印技术目前不能应用于所有材料,尽管广泛的材料可用。

在过去的十年中,3 d打印技术吸引了越来越多的关注和利用已有的设计和性能改进流电池,如。,研究流帧的结构效应(Zhang et al ., 2018)和3分子结构电极(Zhang et al ., 2018对电池性能)。由于强烈的酸或碱工作环境的3 d打印的部分,3 d印刷材料必须精心挑选各种电解质的化学活性。例如,ABS不能用于强酸浓度条件下一部分或长期使用。表1总结了不同的3 d打印技术为各种rfb由不同研究人员报道。

表1

表1。3 d打印技术的应用氧化还原流体电池的发展。

2 3 d打印钒氧化还原流体电池

2.1钒rfb的基础知识

阳极电解液和阴极电解液在经典钒rfb除以一个多孔膜分离器,允许non-redox-active离子的运输,但阻碍redox-active钒离子的混合细胞之间的巨大打击。像全氟磺酸离子选择性膜非常有利的,但实际应用的高成本是有问题的(江et al ., 2016;Tempelman et al ., 2020)。最近,微孔无机/有机膜已经探讨了取代昂贵的全氟磺酸膜(Tempelman et al ., 2020)。到目前为止,他们的电化学性能较差。碳基多孔电极通常用于钒RFB因为他们的高表面积、低成本、化学惰性和杰出的导电性(金子et al ., 1991)。多孔电极可以制作3 d打印或石墨毡合/文件。各种纺纱方法已被用来使聚丙烯腈(PAN)纤维,然后在高温下正交获得石墨毡合(兰纳et al ., 2016)。然而,多孔碳材料的机械强度差可能会降低长期运行后的充电和放电效率。rfb钒的氧化还原反应如下所示(Kear et al ., 2012):

{V O}_{2}^{+} + 2 H^{+} + e^{-} ⇌ {V O}^{2 +} + H_{2} O (1)

V^{2 +} ⇌ V^{3 +} + e^{-} (2)

在卸货过程中,反应(1)发生在阳极和阴极反应(2)发生。当充电RFB两个反应逆转。阳极电解液和阴极电解液浓度越高,RFB容量越大。电解质的浓度太高时,粘性流体可能无法流过多孔电极,和钒电解液可能沉淀堵塞毛孔膜。最后,强烈的酸/碱广泛应用于钒rfb平衡所需费用和提高钒离子的溶解度。高腐蚀性的寿命可能会减少容器、电极,和包装材料在电池设计要求缜密的思考。

2.2实际应用钒RFB的3 d打印

太阳等人制造了一个小型的VRFB原型与3 d打印流框架和复杂的内部流动通道(Rajarathnam et al ., 2016;太阳et al ., 2018;太阳et al ., 2019;Adelusi et al ., 2020)。框架(图2)设计和数值模型是建立利用SolidWorks 3 d建模软件然后捏造一个专业级的高分辨率有限元(SLA) 3 d打印机(Objet30 Pro)。设计框架修改、伪造和测试多次达到最好的结果。研究结果表明,3 d打印流配置框架增加了钒氧化还原化学物种的扩散限制,导致更高的性能相比,h电池。能源效率最终实现40% - -45.2% 0.4钒氧化还原物种。一个电池的库伦效率(η_C),电压效率(η_V)和能源效率(η_E)的58.7、77.1和45.1,分别获得使用流动单元设计和商业V 0.4米₂O₅。库仑效率保持稳定20周期。Percin等人介绍了3 d打印的静态混合器和钒氧化还原流体电池电极(图3)(Percin et al ., 2018)。静态混合器的设计作为一个单层的扭丝螺旋结构(改编自Fritzmann等。),装配在一个Stratasys公司家具伊甸园260 V材料喷射聚合物打印机和涂有导电石墨层。静态混合器增加其表面的相互作用粒子(激活碳或石墨粉)在泥浆和集电器的接触面积增加泥浆的颗粒,从而允许一个更好的电极之间的电荷转移和粒子,以及电流收集器表面和颗粒。结果表明,静态混合器减少大众运输的局限性和截止电流密度增加,导致95%的CE和65%的EE在循环充放电实验。此外,没有观察到大细胞超电势低于20厘米²但很明显高于120厘米⁻²。作者并没有准备细胞使用传统方法进行比较。

图2

图2。的结构和组装微型VRFB原型,复制cc - - 4.0从太阳et al。(2019)。

图3

图3。静态混合器的几何形状。基于数据Percin et al。(2018)。

李问:等人提出了一个多孔石墨烯氧化物(r-GO) / Super-P降低气凝胶复合电极对钒氧化还原流体电池(图4)(李et al ., 2022)。首先,走格子被直接打印墨水写作方法(DIW) / Super-P设备。后冷冻干燥,减少在嗨解决方案中,水冲洗,最后干形成多孔气凝胶复合电极。几种复合电极具有不同成分和质量比率是捏造的,研究。结果表明VRFB电池的放电容量优化rGO-P电极848.4 mA h 80毫安的电流密度厘米²高14.9%,比传统的女朋友电极由于层次多孔结构,比表面积高,rGO-P电极的电导率相对较高。

图4

图4。印刷过程图。基于数据李et al。(2022)。

同样,贝克等人提出的3 d打印的结构化流电池材料电极(图5)(贝克et al ., 2021)。SC和FCC lattice-based结构是捏造的,研究。电极结构是使用直接印刷墨水写作方法和一个水性的解决方案。结构然后在液态氮冷冻,冷冻干燥,形成一个气凝胶。最后,气凝胶是碳化产生多孔结构的电极材料。作者主要材料电极的结构特点,进行了CFD模拟和传质分析。电极的设计流产生的3 d打印结构诱导停滞区,表面应变速率增加,极大地提高了传质薄边界层的流动墙附近的电极。作者还报告说,一个更好的打印分辨率可以不断提高三维电极材料的性能。一个优秀的传质速率> 10²年代¹通过使用铁(CN)⁻³/⁻⁴氧化还原的夫妇,自称是报告文学的价值最高。但是,他们没有评估库仑效率、细胞过电压和循环性能。前面讨论的两项研究证明的有效性三维打印快速成型技术完善和发展新的高效流电池组件。

图5

图5。层析重建代表3 d打印的FCC(上)和SC(底部)的电极和理想化的CAD表示空白区域的入口区域添加到允许模拟。复制从贝克et al。(2021)PNAS的许可。

先令et al . (2022)利用3 d打印技术来构建一个流细胞获得洞察的反应和运输过程和确定提高VRFB效率优化的操作条件。作者研究了碳材料的影响,流量、钒和硫酸浓度、操作温度、钒物种和电化学反应,应用潜力,和充电阶段。发达表征技术提供了宝贵的数据选择电极材料和确定最佳操作条件。

奥康纳et al . (2022)进行了全面研究,3 d打印的VRFB测试细胞。他们设计了细胞用SolidWorks CAD软件。Electrochemical-CFD耦合模拟集成到设计和优化的歧管流动细胞。印刷的影响参数对3 d打印的集合管的质量进行了研究。优化歧管设计是捏造一个Ultimaker S5 FDM 3 d打印机用PP、ABS丝印刷参数优化的化学兼容性和充放电测试。化学兼容性测试进行了聚丙烯(PP)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS) 3 d打印流细胞使用几个常用的水和非水溶剂和电解质。最后,3 d打印单元的成本也是近似的。15细胞被骑在马50厘米²1.10 V和1.75 V之间,平均接近80%。结果表明,ABS化学兼容很多常用水流体电池电解质和适合聚合物制造的3 d打印流细胞。此外,印刷参数优化提供了一个很好的起点为制造高质量的细胞,3 d打印技术是一个非常划算的方法制造定制的流动细胞和新的细胞结构的发展,设计和集成electrochemical-CFD-coupled模拟是一种有效的途径和可能的改进提供重要的反馈流细胞结构。

3 3 d打印zinc-bromine氧化还原流体电池

自从Zn-Br RFB最初在1977年提出的概念,商业化的技术稳步先进near-maturity过去五年(Rajarathnam et al ., 2016)。Zn-Br RFB阳极是由固体金属锌,而阴极Br₂在室温下是液态。因此,Zn-Br也被称为混合RFB,因为它不同于经典的液-液RFB钒。在卸货过程中,固体锌金属剥离和液体Br₂减少到Br⁻,如下所示(Adelusi et al ., 2020):

{B r}_{2} + 2 e^{-} ⇌ 2 B r^{-} (3)

Z n ⇌ {Z n}^{2 +} + 2 e^{-} (4)

整个计算单元可能在标准条件下,1.85 V,高于∼钒rfb 1.2 V。上述反应在充电过程中是相反的。rfb钒、全氟磺酸分隔符已经广泛用于Zn-RFBs由于他们的离子选择性和库仑效率高。透析膜和透析膜涂有电解质也被发达国家降低膜的成本。然而,锌树突的形成经过反复剥离/电镀必须解决由于潜在的安全问题(徐et al ., 2020)。钒RFB相比,Zn-Br RFB的优势是低成本,高容量和能量密度和高稳定性(Zhang et al ., 2019)。Br₂是用来代替Cl₂由于ZnBr溶解度大₂和更高的氯气中毒。锌RFB的理论具体的能量估计有428 Wh公斤¹,高于商业锂离子电池(元et al ., 2019)。然而,Zn-Br RFB的实际能量密度只有∼Wh 50 - 60公斤¹(Chakrabarti et al ., 2014)。

彭日成et al。(2020年)使用3 d打印钛泡沫电极取代传统的石墨电极在锌/ Br单细胞。由于其多孔结构,钛泡沫电极也充当了一个当前列集合,导致一个最佳的细胞结构。测试结果证明了提出ZnBr的高能源效率和可靠性₂单细胞。的库仑效率测试细胞∼72%马50周期的电流密度30厘米²,对应的能量密度Wh 40.45公斤¹细胞,明显高于使用传统方法制作的。在另一项研究中,Biswas et al . (2017)使用3 d印刷定制工具(可伸缩的活塞)合成碳泡沫zinc-bromine电池电极。细胞的稳定与库仑> 90%和> 60%的能源效率> 1000周期,能量密度的9 W h L⁻¹。

4 3 d打印技术蓬勃发展的氧化还原流体电池

小说rfb一直深入研究在过去的十年中,旨在进一步降低制造成本和操作/维护支出和克服经典rfb的缺点(Zhang et al ., 2018)。Zn-Ce和V-Ce rfb尤其明显的由于他们的高细胞电压和商业化潜力(Yun et al ., 2015;谢et al ., 2022)。有机和聚合物氧化还原物种也吸引了研究的关注,尽管他们仍在实验室开发(魏et al ., 2017;Winsberg et al ., 2017)。几篇文章值得特别关注关于3 d打印技术改善Zn-Ce和V-Ce rfb,详见以下段落。

阿里纳斯et al . (2016)3 d打印技术应用于制造正面和负面的电极Zn-Ce流流帧与ABS细丝引入统一的电池电解液流(图6)。部分是捏造的使用与ABS丝+ 2 FDM打印机。这种高精度(200µm分辨率)3 d打印机提供准确的尺寸和成品零件的公差小。尽管ABS不耐化学,它可以使用在低酸条件下,20 - 50°C温度条件相对较短的测试期间没有重大问题。流动渠道的特点是压力下降在进口和出口处标各一半的细胞相比FM01-LC反应堆。结果显示两者之间的一种不对称汹涌;即。,the pressure drop on the positive side was similar to that observed in the FM01-LC cell, whereas a large pressure drop was observed on the negative side at the same flow velocity, indicating that modification of the flow frames was required to reduce the pressure drop. In other words, different flow channel patterns should be designed for various electrolytes, and computational fluid dynamic (CFD) simulation should be involved in flow channel design. The authors designed and printed two types of 3D-printed polymer turbulence promoters and reported the need for more design refinement, fine structures, and a new printing method with fine resolution to obtain the profiled turbulence promoters to improve the mass transport rate. No other electrochemical tests were reported in this work, which focused solely on the flow dynamics of 3D-printed half cells.

图6

图6。统一的3 d打印流帧在Zn-Ce流电池电解液流。复制下cc - - 4.0从阿里纳斯et al . (2015;ref。16)。

减少高压下降和运营成本,德沃尔夫et al . (2022)介绍3分子结构电极氧化还原流体电池。几种衍生物的结构Kenics,罗斯低压降(RLPD),和苏尔寿公司(SMX)搅拌机是捏造的,研究(图7)。作者还研究了不同3分子结构的几何形状的影响电极的性能。电极是用一种间接3 d印刷方法。Ti /环氧树脂/甘油粘贴在一个3 d模具,由一个印刷Ultimaker 3 FDM打印机使用聚苯乙烯。粘贴被加热固化后,模具是由甲苯溶解Ti /环氧树脂/甘油生产复合结构。绿色部分被删除的有机材料和部分是烧结形成三维钛电极。最后,石墨层涂层表面的褐色部分达到足够的电化学活性。激光烧结3 d印刷相比,该方法的成本低得多。替代方法制造钛复合结构可以用FDM打印机钛粉灯丝。研究结果表明,1)结构化电极流动路径最小化死区; 2) more uniform flow distributions could be obtained; 3) the flow battery with structured electrodes could be operated at higher current densities; and 4) the proposed 3D-structured electrodes showed similar electrode potentials compared to conventional disordered carbon felt electrodes, even at two or three orders of magnitude lower pumping power. Of note, this work = investigated cell hydrodynamics at a current density of 0–120 mA cm²但没有评估自行车、极化和库仑效率。

图7

图7。三维电极的结构:(一)RLPD,(B)Kenics,(C)SMX电极。从德复制狼et al。(2022)从ChemElectroChem许可,威利在线图书馆。

男人et al ., 2022开发3 d打印的多通道电极的灵感来自木质部结构的木头,旨在提高活性表面积,提高传质阴极锌空气电池由于增强氧气还原反应效率和输出功率。多通道结构提升的连续供应氧气从空气,形成了一个巨大的tri-phase阴极边界。仿生多通道电极是用不锈钢的EOSINT M280激光烧结3 d打印机。作者研究了通道尺寸对传质效率的影响,确定最优通道大小(600µm)。仿生多通道的锌空气电池阴极具有优良的电化学性能包括高功率密度和开路电压。优化结构提供了高效传质通道和相对较大的表面积的催化剂,导致功率密度高达170兆瓦厘米⁻²。

Marschewski等人介绍了3 d打印的小型微流体网络流细胞(多吃碱性食物,例如氧化还原)有效供电和管理电子组件(加热和冷却Marschewski et al ., 2017)。微流体网络框架使用高分辨率印刷材料喷射打印机(项目高清3000 +)与塑料(VisiJet EX200塑料)。然后,1µm镍和碳层顺序sputter-coated 0.4帧。总共四种微流体网络结构是捏造的,结构对电池性能的影响进行了研究。结果表明RFC与锥形多程微流体网络上涨到1.4厘米²功率密度为0.99厘米²在室温下净功率密度。因此,合理调整射流网络的发展是至关重要的设备有效地结合动力输送和热管理。结果表明潜在的RFB的直接集成电子元件同时发电和酷的电子元件。

3 d打印技术还包括高设计的灵活性和快速原型的发展流电池。Periyapperuma et al。(2017年)捏造一个流半电池原型使用所用的3 d打印机的发展Zn-Ce氧化还原流体电池。作者使用了丙烯酸为选中的离子液体电解质的化学稳定性打印细胞,探讨锌浓度和流量的影响^{2 +}/锌⁰电化学性能和锌形态,确定优化的锌^{2 +}浓度和流量。45%的循环效率达到更高的电解质浓度(摩尔%)18日的电解质浓度33%的效率相比9摩尔%。结果还提供了建议升级流单元配置来提高氧化还原流体电池的循环性能。Nagy et al。(2022年)也used3D印刷制作环保高性能充电Zn-air电池的原型。电池的框架结构是印刷使用Prusa i3 mk3 3 d FDM打印机和纤维素基可降解聚丙烯(PP)纤维。水平和垂直单元设置都是印刷和研究。CMC-Na的分子量的影响电池性能和锌电极循环伏安法的反应进行了研究。没有观察到锌枝晶和长满青苔的形成在超过1000个周期,一个令人印象深刻的100%库仑效率。另一项研究使用3 d印刷制造定制工具合成碳泡沫电极zinc-bromine电池(Biswas et al ., 2017)。

5总结与展望

3 d打印技术,作为一种新的、先进的制造技术和传统的反面材料去除过程,可用于轻松构建复杂的结构化组件,无法使用传统的制造方法制作的。这项技术可以用于构建部件与结构有两个或两个以上的长度尺度。3 d打印技术允许完整的设计、修改和制造在数小时内,从而大大加快工程开发原型。技术吸引了越来越多的关注,并被应用到流体电池部件/单元设计,部分修改和提高性能。过去十年的研究表明,3 d打印技术是一种低成本、高效的快速原型制造方法或流部分细胞和一个有用的和有效的方法来生产部分研究电解液流帧的结构效应和3分子结构电极传质和流电池的性能。当与multi-physics集成建模与仿真,3 d打印技术是一种强大的工具的结构优化和性能提升先进的流体电池。

DFM打印机是最常见的和经济的方法用于制造3 d打印的部分。然而,表面处理一般不高,后处理时需要很高的表面处理是必需的。相比之下,有限元三维打印机提供很好的表面处理。粉末床两种融合3 d打印的钛零件和Ti-coated DFM-printed部分被用作改善电极传质效率。3 d打印的金属零件是强劲,但贵,而金属包覆DFM-printed部分经济生产,但少得多的力量。由于强酸或基本工作环境流电池,3 d印刷材料应该仔细选择基于电解质的化学活性。尽管聚丙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯的化学兼容性研究对于强烈的酸/碱环境,更多的材料需要探索,如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚醚醚酮和高密度聚乙烯。加热和冷却系统应该融入到建筑设计的流体电池温度会影响电池效率。此外,先进的动态射流计算不同氧化还原流体电池必须开发提供更有意义的数据和指导设计的RFB部分组合使用各种3 d打印机。最后,机器学习/人工智能是另一个有前途的结构优化方法和细胞的发展。 Given the abundance of RFB research data, machine learning/artificial intelligence may provide useful guidance regarding material selection, electrode structure optimization, and cell design.

作者的贡献

JW和SX同样从概念综述的提纲手稿准备。两位作者的文章和批准提交的版本。

确认

JW和SX承认乔治亚南方大学提供的慷慨支持。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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引用

3 erp, 20233 erp (2023)。3 erp。可以在:https://www.3erp.com/雷竞技公司blog/how-dimensionally-accurate-are-3d-printed-parts/:∼:文本= % 20精度% 20 % 20 % 20的桌面,在% 20% c2%b1 % % 20 200.2% 20毫米(2023年01 27日通过)。

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Abbasi-Chianeh, V。,一个nd Shokrani, F. (2021). Turbulent fluid flow-assisted rapid electrodeposition of Zn–Ni γ-phase from modified Watt’s type bath by addition of saccharin.公牛。板牙。科学。44(3),238年。doi: 10.1007 / s12034 - 021 - 02509 - z