增材制造或 3D 打印提供了一種快速便捷的零件制造方法。增材制造方法不僅可以創(chuàng)建復(fù)雜（復(fù)雜）的零件結(jié)構(gòu)（幾何形狀），如果使用傳統(tǒng)的減材制造方法，這是不可能的或非常昂貴的，而且與傳統(tǒng)的減材制造方法相比，還可以制造材料浪費(fèi)明顯更少的零件，這對于 3D 打印零件的生命周期評估可能是一個極好的好處。立體光固化成型技術(shù) （SLA） 是一種很有前途的釩氧化還原液流電池 （VRFB） 制造部件的方法，因?yàn)?SLA 可以生產(chǎn)防水和各向同性的部件，這與通過打印熔絲制造 （FFF） 技術(shù)制造的部件不同。
圖1 SLA 3D打印機(jī)示意圖 來源：formlabs
SLA 3D 打印利用光源將液態(tài)樹脂固化成三維物體，方法是將樹脂桶或樹脂槽暴露在光源下，使其硬化。SLA 3D 打印機(jī)利用光來固化光敏性熱固性材料。當(dāng) SLA 樹脂暴露在特定波長的光下時，短分子鏈連接在一起，將單體和低聚物聚合成固化的剛性或柔性幾何形狀。無論光源照射方向或光源類型如何，SLA 3D 打印工作流程都非常簡單。部件打印完成后，有必要使用酒精或乙醚進(jìn)行清洗，以去除部件表面多余的液態(tài)樹脂。氧化還原液流電池 （RFB） 是儲能行業(yè)固定式應(yīng)用的有前途的競爭對手，因?yàn)樗鼈兙哂醒h(huán)壽命長、循環(huán)深、不易燃且維護(hù)成本相對較低等特點(diǎn)。RFB 將電力和能源容量解耦這一事實(shí)帶來了這些優(yōu)勢，這提供了更高程度的靈活性。例如，在釩氧化還原液流電池 （VRFB） 的兩個半電池中使用相同的有源元件，有助于最大限度地減少交叉污染，從而延長電解液的使用壽命。對于相當(dāng)高的能量密度和熱穩(wěn)定的電解質(zhì)，通常建議在 VRFB 電解液中，1.5-2M 硫酸溶液、 3-5 M 釩濃度。盡管硫酸無毒，但硫酸溶液具有很強(qiáng)的腐蝕性，尤其是對大多數(shù)金屬。因此，VRFB 系統(tǒng)中金屬的使用通常僅限于沒有直接電解質(zhì)接觸的部件。與電解質(zhì)直接接觸的部件采用不同類型的具有良好耐硫酸性的聚合物基材料。一些聚合物基材料是高/低密度聚乙烯 （H/LDPE）、聚丙烯 （PP）、聚氯乙烯 （PVC）、聚四氟乙烯 （PTFE） 或聚偏二氟乙烯 （PVDF）。盡管常見的 VRFB 流體系統(tǒng)零部件 （如閥、管道或管道接頭） 由此類材料制成，但零件變化是有限的。例如，需要適合特定管尺寸的連接器，需要安裝在某個位置的定制傳感器形狀，或者被認(rèn)為太復(fù)雜或成本高昂而無法用傳統(tǒng)加工制造的流架。表 1.用于液流電池、化學(xué)或電化學(xué)應(yīng)用的 3D 打印部件的文獻(xiàn)。
最近，與傳統(tǒng)的計算機(jī)數(shù)控加工、注塑成型或其他常見生產(chǎn)技術(shù)相比，3D 打印已成為為這些部件生產(chǎn)復(fù)雜專業(yè)設(shè)計的可靠、靈活且低成本的替代方案。表 1概述了用于氧化還原液流電池組件的 3D 打印部件的文獻(xiàn)綜述。以前的研究考慮了不同 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，例如;用于氧化還原液流電池相關(guān)應(yīng)用的熔融細(xì)絲制造 （FFF） 或熔融沉積建模 （FDM）。這些以前的工作大多只報告了流場和流通池體的制造，較少關(guān)注打印部件和打印材料的化學(xué)相容性。即使對于能源相關(guān)應(yīng)用，對常見的 FFF 材料與各種化學(xué)溶劑進(jìn)行化學(xué)相容性研究也是如此，F(xiàn)FF 或 FDM 的挑戰(zhàn)在于生產(chǎn)水密結(jié)構(gòu)的固有困難。水密性對于流框和電池外殼等 RFB 部件至關(guān)重要，以防止泄漏、溢出和系統(tǒng)故障。因此，立體光固化成型技術(shù) （SLA） 是一種更有前途的技術(shù)，因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生水密結(jié)構(gòu)。
圖 2.電解液泄漏測試設(shè)置 （a） 系統(tǒng)原理圖（b）裝置實(shí)際圖（c）用于泄漏測試的膜狀測試樣品的照片和 CAD 切割視圖 P1到 P4是測試樣品兩側(cè)流入和流出處的壓力傳感器。
Anugrah Andisetiawan等人測試了浸入 6.0 M 硫酸 （H2SO4） 解決方案，遵循 ASTM D543 標(biāo)準(zhǔn)，用于測試塑料對化學(xué)試劑的耐受性以及試樣的水密性，這些試樣是由 High-Temp-V3 樹脂原料（Formlabs，美國）的原料 3D 打印的。研究表明原始試樣和浸沒后試樣之間的材料尺寸、重量和拉伸強(qiáng)度沒有顯著變化。在另一項(xiàng)使用 1200 ml/min VRFB 電解質(zhì)（51% V3+和 49 % V4++2Mol/L H2SO4) ，另一側(cè)是 50 ml/min 的去離子水，我們發(fā)現(xiàn) SLA 3D 打印部件可以承受流動液體的壓力，并且是水密的，沒有重大泄漏；然而，我們觀察到，由于少量 H 離子穿過 1 微米厚的材料，水的電導(dǎo)率有所增加（4 小時后從 8.4 μS/cm 增加到 96.300 μS/cm），去離子水的 pH 值增加證明了這一點(diǎn)。鑒于轉(zhuǎn)移速率明顯緩慢（離子電導(dǎo)率增量非常低，與 228.8 mS/cm 的 VRFB 電解質(zhì)相比小了四個數(shù)量級），檢測兩側(cè)的平衡濃度需要非常長的時間尺度。
圖3.泄漏測試檢查中去離子水的電導(dǎo)率測試結(jié)果
使用 SLA 技術(shù)和 High Temp V3 樹脂制成的打印部件的水密性。在 3D 打印部件中沒有觀察到明顯的電解液泄漏/滲流。然而，在 300 微米厚的 3D 打印樣品分離的純?nèi)ルx子和 VRFB 電解質(zhì)溶液之間的共流下，證實(shí)了一些滲透性 氫離子轉(zhuǎn)移。這些證實(shí)了 3D 打印技術(shù)在相當(dāng)大范圍內(nèi)的適用性。SLA 3D 打印材料應(yīng)用于 VRFB 系統(tǒng)的寶貴信息，我們展示了為 VRFB 生產(chǎn)復(fù)雜的專業(yè)/定制設(shè)計，例如 3D 打印流線架、3D 打印定制傳感器安裝和 3D 打印定制水箱。此外，半透明的 3D 打印部件有助于快速目視檢查電解液流動，以便進(jìn)行 VRFB 故障排除和診斷。在全釩液流電池（VRFB）的儲能應(yīng)用中，立體光固化成型技術(shù)（SLA）可以提供一些獨(dú)特的優(yōu)勢，同時也面臨一些挑戰(zhàn)。SLA技術(shù)能夠制造出具有高精度和復(fù)雜幾何形狀的部件，這對于VRFB中需要精細(xì)流道設(shè)計的部件尤其有利，可以提高流體動力學(xué)效率和電池性能。SLA技術(shù)允許快速迭代設(shè)計，設(shè)計師可以輕松修改和優(yōu)化VRFB部件的設(shè)計，加速產(chǎn)品開發(fā)周期。SLA技術(shù)通過逐層固化的方式制造部件，幾乎不產(chǎn)生材料浪費(fèi)，有助于降低制造成本和提高材料利用率。SLA技術(shù)可以快速從設(shè)計概念轉(zhuǎn)換到實(shí)體模型，有助于加速VRFB的研發(fā)和測試過程。然而，SLA技術(shù)所使用的光敏樹脂材料可能需要特定的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，以適應(yīng)VRFB的操作環(huán)境，這可能限制了材料選擇。SLA打印的部件可能需要額外的后處理步驟，如去除支撐結(jié)構(gòu)、表面處理和固化，這可能會增加制造過程的復(fù)雜性和成本。與傳統(tǒng)制造方法相比，SLA技術(shù)在VRFB領(lǐng)域的應(yīng)用可能還不夠成熟，需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)來優(yōu)化制造工藝。
圖4 采用 SLA 3D 打印制造的 RFB 相關(guān)部件：（a） 流架（b） 原型電解液槽（c） 壓力傳感器流量接頭。
綜上所述，SLA技術(shù)在VRFB的儲能應(yīng)用中具有顯著的潛力，尤其是在提高部件精度和設(shè)計靈活性方面。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，SLA技術(shù)有望在VRFB領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。展示 SLA 和 3D 打印樹脂在制造各種 RFB 相關(guān)原型如一些 3D 打印的流架、儲罐和管接頭的示例如圖所示。此外，由于與典型電解質(zhì)或酸性電解質(zhì)成分的化學(xué)不相容性，沒有 3D 打印部件崩解。除了防水外，樹脂和 SLA 組合制成的部件也是半透明的，便于目視檢查系統(tǒng)內(nèi)部的電解液流動?？焖倌恳暀z查是故障排除、細(xì)胞診斷、光學(xué)表征、研究教育等的重要能力。此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。