3D-печатный электрод повысил эффективность проточных батарей на 52%

Канадские исследователи разработали 3D-печатный электрод для проточных батарей. Его конструкция, вдохновленная природными структурами, улучшила движение электролита и повысила эффективность батареи на 52%.

Профессор Максим ван дер Хейден держит материал для электрода

Источник: University of Waterloo

Исследователи Университета Ватерлоо создали пористый электрод для окислительно-восстановительных проточных батарей (RFB), изготовленный с помощью 3D-печати. Испытания показали, что одна из разработанных конструкций повысила производительность батареи на 52% по сравнению с другими вариантами.

Новая разработка может помочь сделать проточные батареи более эффективными для хранения больших объемов энергии, которую производят солнечные и ветровые электростанции. Проточные батареи отличаются от привычных литий-ионных аккумуляторов: в них энергия хранится не в твердых электродах, а в жидком электролите, который находится во внешних резервуарах.

Количество запасаемой энергии можно увеличивать за счет объема этих резервуаров. Поэтому технология особенно подходит для крупных систем хранения, например для электросетей и целых населенных пунктов. Еще одно преимущество таких батарей — использование водных электролитов. Они не содержат легковоспламеняющихся материалов, характерных для многих литий-ионных аккумуляторов, поэтому могут быть более безопасным вариантом для крупномасштабных энергетических систем.

Такие технологии становятся все более востребованными из-за роста доли солнечной и ветровой энергетики. Эти источники вырабатывают электричество непостоянно: солнечные панели зависят от освещенности, а ветрогенераторы — от скорости ветра. Избыток энергии можно запасать в батареях, а затем возвращать в сеть, когда производство снижается.

Команда использовала 3D-печать, чтобы точно контролировать внутреннюю структуру пористого электрода и направление движения жидкости внутри него. Исследователи обратились к так называемым трипериодическим минимальным поверхностям (TPMS) — сложным повторяющимся трехмерным геометрическим структурам, которые встречаются в природе.

Лучший результат показала геометрия под названием «diamond» («алмаз»). Она позволила повысить производительность проточной батареи на 52%

Источник: Олег Левин / СПбГУ

Ученые протестировали несколько вариантов конструкций электродов. Лучший результат показала геометрия под названием «diamond» («алмаз»). Она позволила повысить производительность проточной батареи на 52%.

После этого исследователи изготовили выбранную конструкцию с помощью 3D-принтера, работающего по технологии цифровой обработки света. Напечатанные структуры подвергли термической обработке, превратив их в проводящие углеродные электроды.

В проточной батарее жидкий электролит должен проходить через электрод и контактировать с его поверхностью. Именно там происходят химические реакции, во время которых энергия запасается или высвобождается. Чем эффективнее жидкость перемещается внутри электрода и чем лучше она контактирует с его поверхностью, тем эффективнее могут идти эти реакции.

3D-печать позволяет создавать внутреннюю геометрию, которую сложно получить традиционными способами производства. Благодаря этому ученые могут управлять движением жидкости внутри батареи и оптимизировать ее работу. Разработку уже испытали не только в лабораторной проточной ячейке, но и в работающей ванадиевой проточной батарее. Это подтвердило, что напечатанные электроды способны работать в реальном аккумуляторном устройстве.

В дальнейшем исследователи планируют увеличить площадь поверхности электродов, усовершенствовать технологию их производства и использовать более продвинутые методы проектирования. По мнению ученых, дальнейшая оптимизация подобных конструкций может сделать проточные батареи более эффективным инструментом для хранения энергии от возобновляемых источников и ее последующей подачи в электросеть.

Также недавно физики нашли в кристаллах ключ к настройке солнечных батарей.