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建復雜（復雜）的零件結構（幾何形狀），如果使用傳統的減材制造方法，這是不可能的或非常昂貴的，而且與傳統的減材制造方法相比，還可以制造材料浪費明顯更少的零件，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 （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，因為 SLA 可以生產防水和各向同性的部件，這與通過打印熔絲制造 （FFF） 技術制造的部件不同。
圖1 SLA 3D打印機示意圖 來源：formlabs
SLA 3D 打印利用光源將液態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 打印機利用光來固化光敏性熱固性材料。當 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行清洗，以去除部件表面多余的液態樹脂。氧化還原液流電池 （RFB） 是儲能行業固定式應用的有前途的競爭對手，因為它們具有循環壽命長、循環深、不易燃且維護成本相對較低等特點。RFB 將電力和能源容量解耦這一事實帶來了這些優勢，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。對于相當高的能量密度和熱穩定的電解質，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的腐蝕性，尤其是對大多數金屬。因此，VRFB 系統中金屬的使用通常僅限于沒有直接電解質接觸的部件。與電解質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，或者被認為太復雜或成本高昂而無法用傳統加工制造的流架。表 1.用于液流電池、化學或電化學應用的 3D 打印部件的文獻。
最近，與傳統的計算機數控加工、注塑成型或其他常見生產技術相比，3D 打印已成為為這些部件生產復雜專業設計的可靠、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 打印部件的文獻綜述。以前的研究考慮了不同 3D 打印技術的應用，例如;用于氧化還原液流電池相關應用的熔融細絲制造 （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，較少關注打印部件和打印材料的化學相容性。即使對于能源相關應用，對常見的 FFF 材料與各種化學溶劑進行化學相容性研究也是如此，FFF 或 FDM 的挑戰在于生產水密結構的固有困難。水密性對于流框和電池外殼等 RFB 部件至關重要，以防止泄漏、溢出和系統故障。因此，立體光固化成型技術 （SLA） 是一種更有前途的技術，因為它能夠產生水密結構。
圖 2.電解液泄漏測試設置 （a） 系統原理圖（b）裝置實際圖（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 標準，用于測試塑料對化學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、重量和拉伸強度沒有顯著變化。在另一項使用 1200 ml/min VRFB 電解質（51% V3+和 49 % V4++2Mol/L H2SO4) ，另一側是 50 ml/min 的去離子水，我們發現 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。鑒于轉移速率明顯緩慢（離子電導率增量非常低，與 228.8 mS/cm 的 VRFB 電解質相比小了四個數量級），檢測兩側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率測試結果
使用 SLA 技術和 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 打印樣品分離的純去離子和 VRFB 電解質溶液之間的共流下，證實了一些滲透性 氫離子轉移。這些證實了 3D 打印技術在相當大范圍內的適用性。SLA 3D 打印材料應用于 VRFB 系統的寶貴信息，我們展示了為 VRFB 生產復雜的專業/定制設計，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，以便進行 VRFB 故障排除和診斷。在全釩液流電池（VRFB）的儲能應用中，立體光固化成型技術（SLA）可以提供一些獨特的優勢，同時也面臨一些挑戰。SLA技術能夠制造出具有高精度和復雜幾何形狀的部件，這對于VRFB中需要精細流道設計的部件尤其有利，可以提高流體動力學效率和電池性能。SLA技術允許快速迭代設計，設計師可以輕松修改和優化VRFB部件的設計，加速產品開發周期。SLA技術通過逐層固化的方式制造部件，幾乎不產生材料浪費，有助于降低制造成本和提高材料利用率。SLA技術可以快速從設計概念轉換到實體模型，有助于加速VRFB的研發和測試過程。然而，SLA技術所使用的光敏樹脂材料可能需要特定的化學穩定性和機械性能，以適應VRFB的操作環境，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，如去除支撐結構、表面處理和固化，這可能會增加制造過程的復雜性和成本。與傳統制造方法相比，SLA技術在VRFB領域的應用可能還不夠成熟，需要進一步的研究和開發來優化制造工藝。
圖4 采用 SLA 3D 打印制造的 RFB 相關部件：（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技術在VRFB的儲能應用中具有顯著的潛力，尤其是在提高部件精度和設計靈活性方面。隨著技術的進一步發展和優化，SLA技術有望在VRFB領域發揮更大的作用。展示 SLA 和 3D 打印樹脂在制造各種 RFB 相關原型如一些 3D 打印的流架、儲罐和管接頭的示例如圖所示。此外，由于與典型電解質或酸性電解質成分的化學不相容性，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，便于目視檢查系統內部的電解液流動?？焖倌恳暀z查是故障排除、細胞診斷、光學表征、研究教育等的重要能力。此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。