Группа исследователей из Университета Ватерлоо разработала напечатанный на 3D-принтере электрод, вдохновлённый природными структурами, который может сделать крупномасштабное хранение возобновляемой энергии более безопасным и эффективным. Работа, опубликованная в журнале Journal of Energy Storage, направлена на совершенствование проточных окислительно-восстановительных батарей — технологии, рассматриваемой как дополнение к литий-ионным батареям для хранения энергии ветра и солнца на уровне электросети.
Новый подход к старой проблеме
Под руководством профессора химической инженерии Максима ван дер Хейдена команда использовала 3D-принтер на основе цифровой световой обработки для изготовления пористых углеродных электродов со сложными, повторяющимися формами, известными как трижды периодические минимальные поверхности. Эти структуры, воспроизводящие паттерны, встречающиеся в природе, позволяют электролиту батареи более эффективно проходить через электрод, улучшая химические реакции, накапливающие и высвобождающие энергию.
«С помощью 3D-печати мы можем проектировать внутреннюю структуру электрода так, как это сложно реализовать с применением традиционных методов производства, — сказал ван дер Хейден. — Это даёт нам значительно больший контроль над тем, как жидкость движется через батарею и достигает поверхностей, на которых протекают реакции накопления энергии».
Испытав несколько вариантов конструкции, исследователи обнаружили, что геометрия «алмаза» показала наилучшие результаты, повысив производительность батареи на 52 процента. Напечатанные на 3D-принтере структуры подверглись термической обработке для формирования проводящих углеродных электродов, после чего были успешно испытаны в лабораторных проточных ячейках и в действующей ванадиевой редокс-проточной батарее.
Почему проточные редокс-батареи важны
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые хранят энергию в твёрдых материалах с использованием легковоспламеняющихся компонентов, проточные редокс-батареи работают на водных жидких электролитах, размещённых во внешних резервуарах. Ёмкость хранения энергии можно наращивать, просто увеличивая объём резервуаров, что делает эту технологию хорошо приспособленной для хранения возобновляемой энергии на уровне отдельных сообществ или всей энергосети.
«Объём запасаемой энергии можно увеличить, просто используя резервуары большего размера, что делает их идеально подходящими для крупномасштабного хранения возобновляемой энергии и применения в энергосетях», — сказал ван дер Хейден.
Эта масштабируемость приобретает всё большее значение по мере того, как энергосети принимают всё больше нестабильной генерации от ветра и солнца, формируя спрос на технологии, способные аккумулировать избыточную электроэнергию и отдавать её в периоды спада производства.
Что дальше
Подтверждение концепции — это шаг к практическому применению, однако предстоит решить ещё немало задач. Будущие исследования будут сосредоточены на увеличении площади поверхности электродов, совершенствовании методов производства и изучении передовых инструментов проектирования для дальнейшего повышения производительности.
Январский препринт, на который ссылается университет в сентябре 👇
Другое изобретение в контексте темы 3D печати и батареи, если пропустили 👇
Комментариев нет:
Отправить комментарий