Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y la Universidad de Waterloo han utilizado una impresora 3D de 350 USD para fabricar electrodos de batería con geometrías internas diseñadas con precisión. Una forma en particular, una red de diamante, logró más del doble del rendimiento de transferencia de masa de una rejilla simple, produciendo al mismo tiempo una resistencia hidráulica mucho menor.
El preprint se enfoca en las baterías de flujo redox, una tecnología de almacenamiento de energía a escala de red donde los electrolitos líquidos se bombean a través de electrodos de carbono porosos para cargar y descargar. Estas baterías son prometedoras para almacenar energía eólica y solar debido a que su potencia y capacidad de almacenamiento pueden escalarse de manera independiente. Sin embargo, las láminas de fibra de carbono utilizadas como electrodos en los sistemas comerciales actuales, aunque ofrecen una gran superficie, resisten el flujo como una esponja densa. Las pérdidas de presión asociadas con el paso del líquido a través de ellas contribuyen a mayores requisitos de bombeo, y los investigadores sostienen que los electrodos formados mediante ecuaciones de superficies matemáticas pueden aliviar esa resistencia drásticamente.
¿Cómo evaluaron la geometría en electrodos impresos?
Para probar la idea, los investigadores imprimieron en 3D cuatro formas de electrodos diferentes y las hornearon a 1.000 °C para convertir el polímero en carbono eléctricamente conductor. El proceso aumentó el contenido de carbono del 71,5% al 94,2% por composición atómica. Los cuatro diseños utilizaron la misma porosidad (70% de espacio abierto) y el mismo tamaño de unidad repetitiva (1 mm), proporcionando una base controlada para comparar sus diferentes arquitecturas.
De los cuatro, la geometría de diamante tuvo el mejor desempeño. Las simulaciones de flujo mostraron que distribuía el líquido de manera más uniforme a través de sus canales, con un coeficiente de variación de 1,01 frente a 1,43 para la geometría cúbica, lo que sugiere menos zonas muertas y menos canales de cuello de botella. También ofreció la mayor superficie entre los diseños impresos, 1,47 veces la de la rejilla cúbica, y la menor resistencia eléctrica. Frente a un electrodo de fieltro de carbono comercial, el contraste fue aún más marcado. Entre los cuatro diseños impresos, las caídas de presión oscilaron entre 14 y 80 kPa por metro a 10 cm por segundo. El fieltro alcanzó los 745 kPa por metro.
Más allá de la forma, el equipo exploró cómo la porosidad afecta el rendimiento probando electrodos giroides con un 90%, 70% y 50% de espacio abierto. La versión más abierta superó a la más densa en todas las velocidades de flujo probadas, a pesar de tener 2,8 veces menos superficie. En condiciones de flujo moderado, el giroide al 90% entregó 134 miliamperios por centímetro cuadrado frente a 101 para el electrodo cúbico al 70%.
¿Importa más la superficie o los canales de flujo?
Para electrolitos donde la reacción química es rápida, tener canales de flujo amplios parece importar más que acumular superficie adicional. Los investigadores advierten que este equilibrio probablemente se inclina hacia el otro lado para químicas más lentas como el vanadio, donde una mayor superficie ayuda a compensar las reacciones lentas. Esa brecha en el área superficial, de hecho, sigue siendo la mayor debilidad de los electrodos impresos en general. Las mediciones de adsorción de gas mostraron que el fieltro comercial contenía aproximadamente 10 veces más superficie por unidad de volumen que el mejor diseño impreso, y la ventaja se manifestó claramente a altas velocidades de flujo, donde el fieltro entregó una corriente mayor.
Las estructuras impresas en 3D también se encogieron durante el horneado y desarrollaron paredes internas huecas a medida que los gases escapaban, lo que dificultó conocer con certeza la geometría final exacta. Aún así, una prueba de concepto en una batería de flujo redox de vanadio completa logró una eficiencia de voltaje del 76% a 50 miliamperios por centímetro cuadrado. La eficiencia culómbica fue menor, con un 71%, lo que los investigadores atribuyen al cruce de iones de vanadio y reacciones secundarias, potencialmente exacerbadas por el daño a la membrana causado por el electrodo impreso rígido que presionaba contra ella durante el ensamblaje.
El compromiso fundamental que mapea el estudio será familiar para cualquiera que trabaje en electrodos de baterías de flujo. Los materiales convencionales tienden a combinar una alta superficie con una alta resistencia al flujo. Las geometrías TPMS parecen ofrecer una forma parcial de eludir ese acoplamiento, sacrificando algo de superficie por pérdidas hidráulicas sustancialmente menores. Si ese intercambio vale la pena probablemente dependa de la química específica dentro de la celda, y los investigadores sugieren que combinar estas técnicas de impresión con optimización computacional podría eventualmente producir electrodos adaptados a químicas de batería y condiciones operativas particulares.
Bajo el título “Enhancing Mass Transport in Redox Flow Batteries with 3D-Printed Triply Periodic Minimal Surface Electrode Structures”, el estudio fue realizado por Maxime van der Heijden, Mojtaba Barzegari, Joey Aarts, Baichen Liu y Antoni Forner-Cuenca.
¿Cómo se reducen las barreras para prototipar baterías?
En UCLA, los investigadores informaron haber utilizado impresión 3D de resina seguida de carbonización a alta temperatura para fabricar electrodos de carbono poroso para baterías híbridas de zinc-ion. Al expandir el área de superficie interna del andamio de carbono y recubrirlo con óxido de vanadio, lograron una ganancia de capacidad de siete veces mayor en comparación con dispositivos equivalentes.
El camino de fabricación se superpone considerablemente con el utilizado en el estudio de Eindhoven, lo que sugiere que la impresión 3D de resina de bajo costo seguida de conversión térmica puede tener aplicaciones en electrodos de carbono arquitectónicos en múltiples químicas de batería. En otro lugar, investigadores de Caltech utilizaron impresión 3D DLP para crear estructuras de polímero complejas que fueron pirolizadas a 1.000 °C en electrodos de carbono para baterías de litio-ion. El enfoque les permitió aumentar la carga de masa del electrodo mientras reducían la penalización de la longitud de transporte asociada con electrodos convencionales más gruesos, demostrando cómo el control sobre la geometría del electrodo puede utilizarse para abordar las compensaciones de rendimiento.
Vía 3D Printing Industry.
