Elettrodi TPMS stampati in 3D per le batterie redox flow la geometria Diamond migliora trasporto di massa e perdite di pompaggio

Nelle batterie redox flow la geometria dell’elettrodo può contare quasi quanto il materiale
Un gruppo di ricercatori della University of Waterloo e della Eindhoven University of Technology ha dimostrato che modificare in maniera controllata l’architettura tridimensionale di un elettrodo può migliorare in modo sostanziale il compromesso tra trasporto delle specie elettroattive e resistenza al flusso nelle batterie redox flow. Maxime van der Heijden, Mojtaba Barzegari, Joey Aarts, Baichen Liu e Antoni Forner-Cuenca hanno prodotto elettrodi carboniosi con quattro differenti geometrie TPMS – Gyroid, Diamond, IWP e Cubic – attraverso stampa 3D DLP e successiva conversione termica del polimero in carbonio. Tra le configurazioni confrontate, la struttura Diamond ha fornito il risultato più interessante, combinando distribuzione più uniforme dell’elettrolita, elevato trasporto di massa e pressione di pompaggio relativamente contenuta. La University of Waterloo sintetizza il risultato parlando di un miglioramento del 52%, ma questo numero deve essere interpretato con molta attenzione: non significa +52% di capacità della batteria, +52% di efficienza energetica o +52% di autonomia. Lo studio riguarda soprattutto il comportamento dell’elettrodo e il compromesso fluidodinamico-elettrochimico. Il test finale su una vera vanadium redox flow battery ha invece raggiunto una voltage efficiency del 76% a 50 mA/cm², e in quella prova è stato utilizzato un elettrodo Gyroid rappresentativo, non la geometria Diamond che aveva ottenuto i migliori risultati nella fase comparativa.

Il problema nasce dalla struttura casuale degli elettrodi tradizionali
Una redox flow battery immagazzina l’energia principalmente in elettroliti liquidi contenuti in serbatoi esterni. Durante carica e scarica, questi liquidi vengono pompati attraverso una cella nella quale incontrano elettrodi porosi. La reazione elettrochimica avviene sulle superfici accessibili dell’elettrodo, quindi in linea teorica sarebbe desiderabile avere un’enorme superficie interna. Ma aumentando troppo la quantità di fibre o diminuendo le dimensioni dei pori cresce anche la resistenza al passaggio del liquido. La pompa deve lavorare di più e parte dell’energia disponibile viene consumata semplicemente per far circolare l’elettrolita. I carbon felt normalmente utilizzati sono ottimi nel fornire superficie elettrochimica, ma la loro struttura interna è sostanzialmente statistica: fibre disposte in maniera non deterministica creano una rete di pori tortuosa, con zone attraversate molto intensamente dal fluido e altre quasi stagnanti.

L’Additive Manufacturing permette invece di progettare ogni percorso dell’elettrolita
È esattamente qui che la stampa 3D cambia il problema. Un felt viene ottimizzato principalmente intervenendo su fibra, compressione, trattamento superficiale e proprietà chimiche. Un elettrodo additivamente prodotto permette di intervenire direttamente sulla geometria interna: dimensione dei canali, curvature, porosità, superficie specifica e distribuzione del flusso possono essere definite prima della produzione. Invece di accettare una rete porosa casuale e misurarne successivamente il comportamento, l’ingegnere può progettare una struttura deterministica e modificarla in funzione della chimica della batteria e della velocità di pompaggio.

Le TPMS sono particolarmente adatte perché separano lo spazio attraverso superfici continue
TPMS significa Triply Periodic Minimal Surface. Sono superfici matematiche che si ripetono periodicamente nelle tre direzioni dello spazio e possono generare strutture con canali interconnessi molto regolari. Gyroid e Diamond sono tra gli esempi più conosciuti. A differenza di una lattice composta semplicemente da travi che si incrociano, una TPMS può offrire transizioni curve e continue che riducono bruschi cambiamenti di direzione del flusso. In applicazioni fluidiche questa caratteristica può limitare zone morte, separazioni del flusso e percorsi preferenziali e permette di regolare con grande precisione il rapporto tra area superficiale e volume disponibile al passaggio del liquido.

I ricercatori hanno confrontato Gyroid, Diamond, IWP e Cubic alle stesse condizioni geometriche
Per isolare l’effetto della topologia, le quattro architetture principali sono state confrontate mantenendo circa 70% di porosità e una unit cell nell’ordine di 1 mm. È un dettaglio sperimentale importante: se la Diamond fosse stata semplicemente molto più aperta della Cubic, sarebbe difficile capire se il beneficio derivasse dalla geometria oppure soltanto dalla quantità di spazio libero. Mantenendo condizioni confrontabili, il gruppo ha potuto osservare come la forma dei canali influenzasse distribuzione dell’elettrolita, pressione, superficie disponibile, resistenza elettrica e mass transfer.

La Diamond ha prodotto la distribuzione del flusso più uniforme
Le simulazioni fluidodinamiche indicano per la geometria Diamond un coefficient of variation del flusso nell’ordine di 1,01, contro circa 1,43 per la Cubic. Un valore inferiore indica una distribuzione più omogenea tra i diversi percorsi. Questo significa meno regioni nelle quali l’elettrolita attraversa velocemente l’elettrodo senza sfruttarne pienamente la superficie e meno zone quasi stagnanti nelle quali le specie elettroattive vengono consumate senza essere rapidamente rimpiazzate. In una flow battery questo è importante perché una parte dell’elettrodo sottoutilizzata rappresenta materiale, volume e costo che non contribuiscono pienamente alla potenza disponibile.

La Diamond offre inoltre circa 1,47 volte la superficie della Cubic
Tra le strutture stampate alle condizioni confrontate, la Diamond presentava anche la maggiore area superficiale, circa 1,47 volte quella della struttura Cubic, insieme alla resistenza elettrica più bassa tra le geometrie valutate. Questo risultato è particolarmente interessante perché normalmente aumentare la superficie tende a rendere più tortuoso il percorso del liquido. La Diamond riesce invece a combinare superficie relativamente elevata e una rete di flusso molto più ordinata, migliorando contemporaneamente più variabili del problema.

Il trasporto di massa è risultato più che doppio rispetto a una griglia semplice in alcune condizioni
3D Printing Industry evidenzia che la geometria Diamond ha raggiunto oltre il doppio delle prestazioni di mass transfer della configurazione Cubic utilizzata come riferimento semplice, accompagnando questo risultato con una resistenza idraulica sensibilmente inferiore. Questo dato e il “+52%” comunicato dalla University of Waterloo non devono essere letti come due misure equivalenti della stessa grandezza. Il paper analizza diversi indicatori – mass-transfer coefficient, current response, pressione e compromesso complessivo – mentre il comunicato istituzionale riassume il vantaggio della configurazione migliore in un singolo numero. Per evitare interpretazioni sbagliate è quindi preferibile parlare di netto miglioramento del trasporto e del trade-off elettrochimico-fluidodinamico, senza convertirlo in un aumento generico dell’efficienza della batteria.

La pressione necessaria a far attraversare il liquido alle strutture stampate è molto inferiore a quella del felt
Uno dei confronti più impressionanti riguarda il pressure drop. Alla velocità superficiale di circa 10 cm/s, le quattro strutture stampate mostrano perdite di pressione nell’ordine di 14-80 kPa per metro, a seconda della geometria. Il carbon felt commerciale utilizzato come riferimento raggiunge circa 745 kPa/m nelle stesse condizioni di confronto. La differenza può superare un ordine di grandezza. Non significa che un intero sistema industriale ridurrebbe automaticamente l’energia di pompaggio della stessa proporzione, perché manifolds, tubazioni, flow fields, membrane e dimensioni della cella contribuiscono tutti alle perdite. Mostra però quanto spazio di ottimizzazione esista intervenendo soltanto sull’architettura interna dell’elettrodo.

Il carbon felt mantiene però un vantaggio enorme che la Diamond non ha ancora risolto: la superficie
La struttura fibrosa del felt possiede moltissime fibre sottilissime e quindi una area elettrochimica molto elevata per unità di volume. Le misure di adsorbimento effettuate nello studio indicano che il felt commerciale può offrire nell’ordine di dieci volte la superficie specifica volumetrica disponibile nelle migliori strutture stampate. Questa differenza emerge chiaramente quando la velocità di flusso aumenta: una volta ridotti i limiti di mass transport, il numero totale dei reaction sites diventa dominante e il felt riesce a raggiungere densità di corrente superiori.

Questo è il vero compromesso messo in evidenza dalla ricerca
Da un lato il felt possiede moltissima superficie ma obbliga il liquido a percorrere una rete intricata e produce grandi pressure losses. Dall’altro le TPMS stampate creano autostrade fluidiche estremamente efficienti, ma le pareti prodotte dalla stampante sono ancora molto più grandi delle fibre del felt e quindi generano meno area elettrochimica. L’elettrodo ideale dovrebbe combinare i due vantaggi: una macroarchitettura progettata per il trasporto dell’elettrolita e una micro/nanostruttura che moltiplichi la superficie reattiva.

La ricerca sulla porosità del Gyroid mostra addirittura che più superficie non sempre significa più corrente
Per studiare separatamente questo problema, il team ha stampato strutture Gyroid con circa 50%, 70% e 90% di porosità. La configurazione al 90%, quindi quella con i canali più aperti e meno materiale, possedeva circa 2,8 volte meno superficie rispetto alla configurazione più densa. Eppure ha prodotto prestazioni migliori a tutte le velocità di flusso analizzate nella specifica chimica utilizzata. In una condizione di flusso intermedia ha raggiunto circa 134 mA/cm², mentre una struttura Cubic al 70% si collocava intorno a 101 mA/cm².

È un risultato apparentemente controintuitivo ma molto importante
Se la reazione elettrochimica è molto rapida, aumentare ulteriormente la quantità di superficie può avere scarso valore se l’elettrolita non riesce a raggiungerla rapidamente. In quella situazione conviene aprire maggiormente l’elettrodo e facilitare il rinnovo delle specie reagenti. È analogo a costruire un enorme parcheggio con un’unica strada di accesso: aumentare il numero di posti non serve se le auto rimangono bloccate all’ingresso. La struttura al 90% riduce il numero dei siti disponibili ma li alimenta meglio.

Per questo i primi test non sono stati eseguiti direttamente con il vanadio
Gli autori hanno volutamente utilizzato inizialmente una coppia redox organica caratterizzata da cinetica rapida. L’obiettivo era rendere dominante il mass transport e separarne l’effetto da quello della velocità intrinseca della reazione. Se fosse stata utilizzata fin dall’inizio una chimica molto lenta, un elettrodo avrebbe potuto sembrare poco performante per ragioni cinetiche anche se il trasporto di massa era eccellente. Questa scelta rende il confronto geometrico più pulito, ma contemporaneamente significa che il risultato della fase di screening non deve essere trasferito automaticamente a qualsiasi chimica redox.

Il vanadio è infatti un caso in cui la superficie può tornare molto importante
Le reazioni di una vanadium redox flow battery hanno caratteristiche cinetiche differenti dal sistema organico utilizzato per l’analisi iniziale. In particolare, alcune delle reazioni del vanadio sono relativamente lente e beneficiano di una maggiore quantità di superficie attiva. La configurazione con porosità massima che funziona bene con una redox couple cineticamente facile potrebbe quindi non essere la scelta migliore per una VRFB. È il motivo per cui gli autori insistono sulla necessità di progettare l’elettrodo per la specifica chimica e condizione operativa, invece di cercare una geometria universale.

La stampa avviene prima in resina e soltanto successivamente nasce l’elettrodo di carbonio
Il processo utilizzato non stampa direttamente carbonio puro. Le strutture vengono prodotte attraverso Digital Light Processing, una tecnologia di vat photopolymerization nella quale la luce solidifica selettivamente un fotopolimero. 3D Printing Industry sottolinea che è stata utilizzata una stampante DLP di fascia economica, indicata nell’ordine dei 350 dollari, dimostrando che la fase geometrica non richiede necessariamente una piattaforma industriale da centinaia di migliaia di euro. Il vero passaggio materials-engineering avviene successivamente, attraverso un trattamento termico ad alta temperatura.

La carbonizzazione raggiunge circa 1.000 °C
Dopo la stampa le strutture polimeriche vengono sottoposte a trattamento termico fino a circa 1.000 °C, eliminando gran parte delle componenti non carboniose e trasformando il reticolo in un materiale elettricamente conduttivo. Secondo i dati riportati da 3D Printing Industry, il contenuto di carbonio passa da circa 71,5% a 94,2% in composizione atomica. La trasformazione consente quindi di utilizzare la libertà geometrica di una normale tecnologia resin-based per creare un oggetto finale con comportamento molto diverso da quello del fotopolimero di partenza.

La carbonizzazione introduce però una delle difficoltà maggiori dell’intero processo: il ritiro
Il polimero perde massa e volume quando le componenti organiche vengono eliminate. Le pareti si restringono, possono deformarsi e in alcuni casi sviluppano una struttura interna cava mentre i prodotti gassosi escono dal materiale. Le geometrie finali conservano bene le caratteristiche TPMS principali, ma non sono semplicemente copie in scala perfetta del modello CAD. Questo complica il design: il ricercatore deve prevedere quanto una parete o un canale cambierà tra il green part appena stampato e l’elettrodo carbonizzato.

Gli autori segnalano proprio pareti cave dopo la pirolisi
Durante la conversione termica i gas generati dal materiale possono creare cavità all’interno delle pareti. Questo influenza densità, resistenza meccanica, conduttività e superficie. Potenzialmente una parete cava potrebbe anche creare nuova area interna, ma se questa area non viene raggiunta dall’elettrolita non contribuisce necessariamente alla reazione. Per un futuro elettrodo commerciale sarà quindi necessario controllare non soltanto la topologia macroscopica ma anche la microstruttura che emerge durante il trattamento termico.

La strada tecnologica deriva da una linea di ricerca già sviluppata a Eindhoven
Maxime van der Heijden e Antoni Forner-Cuenca avevano pubblicato nel 2023 uno studio nel quale semplici lattice SLA venivano stampate con una Formlabs Form 3 in High Temp V2 Resin, stabilizzate termicamente e carbonizzate per produrre elettrodi conduttivi. In quel lavoro venivano analizzati direzione di stampa, forma dei pillar e flow fields. I risultati avevano già dimostrato che l’orientamento e la geometria delle colonne modificano mass transfer e pressure drop. La ricerca del 2026 compie un passo ulteriore: invece di lavorare prevalentemente su reti di pillar, utilizza vere TPMS e porta il problema verso architetture geometricamente molto più sofisticate.

Il lavoro del 2023 aveva già mostrato che carbonizzare una struttura resin-based non è banale
Nella precedente piattaforma le parti dovevano essere stabilizzate attraverso ossidazione a 250 °C e successivamente carbonizzate a 850 °C sotto azoto; il ritiro dei pori poteva arrivare intorno al 40-50% a seconda dell’orientamento. Gli elettrodi finali raggiungevano conduttività nell’ordine di 85 S/m, confrontabile con alcuni materiali carboniosi commerciali utilizzati nello studio, ma la loro superficie rimaneva limitata dalla risoluzione della stampa. La nuova ricerca conserva la stessa filosofia generale – photopolymerization più carbonizzazione – mentre esplora geometrie e condizioni differenti. I parametri termici dei due lavori non devono però essere mescolati: il nuovo paper utilizza il proprio processo fino a circa 1.000 °C e deve essere valutato separatamente.

Le TPMS trasformano l’elettrodo in un componente fluidodinamico progettato
È forse il cambiamento concettuale più importante. L’elettrodo tradizionale viene spesso trattato come un materiale poroso: si sceglie il felt, lo si comprime, lo si modifica chimicamente e si misura il risultato. Con l’Additive Manufacturing l’elettrodo diventa quasi una turbomacchina microscopica. Canali e curvature possono essere disegnati per accelerare, mescolare o ridistribuire l’elettrolita. Pressure drop e mass-transfer coefficient diventano proprietà progettuali dell’architettura e non soltanto caratteristiche casuali del materiale.

Questo apre la porta alla computational optimization
Una volta che la geometria è descritta matematicamente, un algoritmo può modificare automaticamente porosità, cell size, curvature e gradiente lungo la direzione del flusso. Non è necessario che l’intero elettrodo utilizzi la stessa unit cell. La zona di ingresso potrebbe essere più aperta per ridurre pressione, mentre aree nelle quali la concentrazione dei reagenti diminuisce potrebbero aumentare progressivamente superficie e mixing. CFD, topology optimization e machine learning potrebbero quindi produrre geometrie che nessun catalogo di felt potrebbe offrire.

Un elettrodo graded potrebbe essere ancora più interessante di una Diamond uniforme
Il liquido che entra nella cella possiede una concentrazione delle specie redox diversa da quello che ne esce. La condizione fluidodinamica cambia inoltre lungo lo spessore e la lunghezza dell’elettrodo. Non esiste quindi una ragione fondamentale per cui la geometria ottimale debba rimanere identica in ogni punto. La stampa 3D consente di modificare localmente la struttura senza dover assemblare materiali diversi. È una delle direzioni più promettenti per il lavoro futuro, anche se lo studio attuale si concentra soprattutto su geometrie periodiche controllate.

Il limite di superficie potrebbe essere affrontato con una strategia gerarchica
La macrostruttura TPMS potrebbe definire canali da centinaia di micrometri o millimetri per il trasporto del liquido, mentre una seconda microstruttura molto più fine potrebbe aumentare l’area disponibile. È possibile immaginare coating carboniosi porosi, carbon nanotubes, graphene, activation treatments o rugosità generate durante la pirolisi. L’obiettivo sarebbe mantenere il pressure drop della struttura ordinata e contemporaneamente avvicinarsi alla superficie specifica dei felt.

La University of Waterloo indica proprio l’aumento della superficie come prossimo obiettivo
Il gruppo non presenta la Diamond come soluzione pronta per sostituire domani i carbon felt. Le prossime fasi dichiarate comprendono aumento dell’electrode surface area, miglioramento dei metodi di fabbricazione e utilizzo di strumenti di progettazione avanzati per individuare architetture ancora più efficienti. Questa roadmap conferma che il vantaggio fluidodinamico è stato dimostrato, mentre il deficit di superficie rappresenta ancora uno dei principali ostacoli.

Il confronto con il carbon felt mostra infatti che non esiste ancora un vincitore assoluto
Alle basse e moderate condizioni di flusso gli elettrodi architettati possono avere enorme vantaggio nel pressure drop e ottimo mass transport. Quando la disponibilità di reagente non costituisce più il collo di bottiglia, il felt utilizza la sua superficie molto maggiore per aumentare la corrente. La soluzione industriale potrebbe quindi non essere “eliminare il felt”, ma combinare architetture stampate con materiali fibrosi, coating oppure sistemi multi-scala.

Il test su una vanadium redox flow battery dimostra fattibilità, non superiorità
Per verificare che l’elettrodo carbonizzato potesse funzionare anche fuori dalla cella semplificata utilizzata per gli studi di mass transport, il gruppo ha installato una struttura Gyroid in una vera cella redox al vanadio. La batteria ha raggiunto circa 76% di voltage efficiency a 50 mA/cm². È una dimostrazione importante perché mostra che materiale e processo sono elettrochimicamente utilizzabili in un sistema completo. Non dimostra però che quella batteria superi una VRFB commerciale o che Diamond garantisca automaticamente 76% di voltage efficiency: sono due parti differenti dell’esperimento.

La Coulombic Efficiency della prova era circa 71%
3D Printing Industry riporta una coulombic efficiency di circa 71%, inferiore ai valori tipicamente desiderabili per una VRFB ottimizzata. Gli autori collegano questo comportamento a crossover degli ioni di vanadio e side reactions, con la possibilità che la membrana sia stata danneggiata durante l’assemblaggio dalla struttura rigida dell’elettrodo stampato. È un punto importante perché evidenzia un problema meccanico assente nei felt: un felt soffice può comprimersi contro la membrana, mentre un reticolo carbonioso rigido può concentrare stress e richiede una progettazione precisa delle interfacce.

Anche la compressione dell’elettrodo cambia completamente
I carbon felt vengono spesso compressi durante l’assemblaggio della cella per ridurre contact resistance e modificare porosità. Una TPMS carbonizzata non può essere trattata nello stesso modo senza rischio di frattura. Cell frame, gasket thickness e pressure distribution devono quindi essere riprogettati insieme all’elettrodo. È un esempio di come sostituire un materiale casualmente poroso con una struttura rigida progettata richieda modificare l’intero reactor design, non soltanto inserire un pezzo diverso nello stesso spazio.

Il vantaggio delle flow battery rimane la separazione tra potenza ed energia
In una batteria agli ioni di litio aumentare l’energia immagazzinata richiede generalmente aggiungere celle. In una redox flow battery il volume di elettrolita nei serbatoi determina gran parte della capacità energetica, mentre stack, membrane ed elettrodi determinano soprattutto la potenza. Questo rende le flow battery interessanti per applicazioni stazionarie di lunga durata: aumentare la quantità di energia può significare soprattutto aumentare il volume dei serbatoi. Migliorare l’elettrodo può invece aumentare la potenza ottenibile da una determinata area di stack o ridurre le perdite ausiliarie.

Ridurre il pompaggio può diventare particolarmente importante negli impianti molto grandi
In un piccolo test da laboratorio una pompa da pochi watt sembra trascurabile. In un impianto grid-scale, dove grandi quantità di elettrolita devono circolare per migliaia di ore, le parasitic losses diventano parte dell’efficienza economica complessiva. Un elettrodo che riduce di un ordine di grandezza la resistenza idraulica potrebbe permettere pompe più piccole, portate superiori o consumi ausiliari inferiori. Il beneficio reale deve però essere calcolato a livello di stack e sistema completo, non direttamente dal rapporto tra 745 e 14-80 kPa/m misurato sui campioni.

Anche la sicurezza è uno dei motivi per cui le flow battery interessano lo storage stazionario
Molte configurazioni utilizzano elettroliti acquosi e non presentano la stessa combinazione di elettroliti organici infiammabili e elevata densità energetica delle normali celle Li-ion. Questo non significa che siano prive di rischi: acidi, vanadio e grandi volumi di liquido richiedono containment e gestione appropriati. Ma per impianti stazionari nei quali volume e massa sono meno critici rispetto a un’automobile, durata, sicurezza e possibilità di sostituire o rigenerare l’elettrolita sono caratteristiche interessanti.

Il problema economico resta però molto più grande del solo elettrodo
Vanadio, membrane, pompe, stack manufacturing, serbatoi, electrolyte management e balance-of-plant determinano il costo finale. Un elettrodo migliore può ridurre una parte delle perdite e aumentare power density, ma non risolve automaticamente il costo della tecnologia. Anche la produzione additiva stessa deve essere economicamente giustificata: stampare migliaia di metri quadrati di elettrodi attraverso DLP e carbonizzarli a 1.000 °C è molto diverso da produrre pochi coupon di laboratorio.

La stampante economica non rende economico l’intero processo
Il riferimento alla macchina da circa 350 dollari è interessante perché dimostra che la geometria complessa può essere prototipata con hardware accessibile. Ma il ciclo comprende lavaggio, gestione della resina, trattamento termico a circa 1.000 °C, atmosfera controllata, caratterizzazione e montaggio della cella. In produzione industriale il forno e il consumo energetico potrebbero incidere molto più della stampante. Il risultato va quindi letto come abbassamento della barriera alla ricerca e all’ottimizzazione geometrica, non come prova che gli elettrodi possano già essere prodotti a basso costo su scala gigawattora.

La velocità DLP può comunque offrire una strada interessante per lo scale-up
Nella vat photopolymerization, un intero layer viene polimerizzato contemporaneamente attraverso un’immagine, quindi il tempo di esposizione non cresce linearmente con il numero di feature presenti sullo stesso piano. Questo è particolarmente utile per TPMS complesse. È possibile immaginare stampanti con area maggiore che producano molte sezioni di elettrodo contemporaneamente. Il problema successivo sarebbe ridurre ritiro e deformazione durante carbonizzazione e garantire ripetibilità tra batch.

Un altro obiettivo potrebbe essere eliminare completamente il passaggio resin-to-carbon
Esistono tecniche additive basate su ink conduttivi, extrusion di paste carboniose, graphene aerogel e altri sistemi che potrebbero produrre direttamente strutture ricche di carbonio. Ognuno introduce però compromessi di risoluzione, viscosità, shrinkage e proprietà meccaniche. La DLP possiede il grande vantaggio della precisione geometrica e della facilità nel creare superfici TPMS, motivo per cui la via della carbonizzazione rimane attraente nonostante la complessità termica.

La ricerca dimostra soprattutto che “più poroso” e “più superficie” non sono obiettivi sufficienti
La progettazione degli elettrodi viene spesso ridotta a porosità e area specifica. Lo studio mostra invece che dove si trova quella porosità e come il liquido la attraversa sono altrettanto importanti. Due elettrodi entrambi al 70% possono avere comportamenti profondamente differenti perché uno distribuisce il flusso uniformemente e l’altro crea bypass e stagnazione. La topologia diventa quindi un vero parametro elettrochimico.

La Diamond non va però proclamata “geometria migliore per tutte le flow battery”
È la configurazione che ha offerto il migliore compromesso tra le quattro strutture confrontate e nelle condizioni studiate. Cambiando viscosità dell’elettrolita, diffusività delle specie, velocità della reazione, dimensioni della cella o flow field, l’optimum può cambiare. Lo stesso studio mostra già questa dipendenza: quando varia la porosità del Gyroid cambia il rapporto tra surface area e mass transport. Una chimica più lenta può preferire superficie maggiore, mentre un elettrolita viscoso può premiare canali più aperti.

Il vero futuro potrebbe quindi essere un elettrodo diverso per ogni chimica
Vanadium, iron, organic molecules, bromine, polysulfides e altre redox couples possiedono viscosità, diffusività e kinetics differenti. L’Additive Manufacturing permette di immaginare una famiglia di elettrodi progettati insieme all’elettrolita. Invece di acquistare lo stesso felt e adattarlo a sistemi diversi, la topologia potrebbe essere generata automaticamente dal software partendo dalle proprietà fisiche e dai requisiti di potenza.

È qui che CFD e ottimizzazione computazionale possono diventare decisive
Il gruppo indica l’utilizzo futuro di advanced design tools. Un algoritmo potrebbe simulare migliaia di varianti Diamond, Gyroid o strutture non appartenenti a una singola famiglia TPMS e cercare il miglior rapporto tra pressure drop, surface area, mass-transfer coefficient e electrical resistance. La stampa 3D permetterebbe poi di produrre direttamente i candidati migliori e riportare i dati sperimentali nel modello. Sarebbe un closed loop tra simulazione, Additive Manufacturing ed elettrochimica.

Il risultato più importante dello studio non è quindi il 52%
Quel numero è efficace nella comunicazione, ma la parte scientificamente più interessante è aver dimostrato che il trade-off tradizionale tra superficie e resistenza idraulica può essere manipolato attraverso una geometria deterministica. La Diamond offre più del doppio del mass transport di una semplice Cubic in alcune condizioni, le TPMS stampate mostrano pressure drop enormemente inferiori al carbon felt e il Gyroid al 90% dimostra che aprire drasticamente i canali può compensare una perdita di superficie quando la chimica è sufficientemente veloce. Allo stesso tempo, il felt ricorda che la superficie rimane indispensabile e il test al vanadio mostra che il passaggio da un esperimento fluidodinamico a una batteria reale introduce membrane, crossover, interfacce e kinetics.

Per la stampa 3D è un’applicazione particolarmente interessante perché la geometria stessa diventa materiale funzionale
Non si sta semplicemente producendo con DLP una forma che sarebbe più costosa da fresare. La funzione dell’elettrodo deriva direttamente dalla topologia impossibile da ottenere con la stessa precisione attraverso un felt convenzionale. Modificando una equazione matematica si modifica il comportamento elettrochimico. È uno dei casi nei quali Additive Manufacturing mostra il proprio valore più profondo: non sostituire una lavorazione tradizionale, ma permettere di progettare una proprietà che prima non era realmente controllabile.

Prima di una batteria commerciale servono comunque elettrodi più piccoli nella microstruttura e molto più grandi nella scala produttiva
È il paradosso che il gruppo dovrà affrontare. Da una parte occorrono feature più fini e superfici micro/nanostrutturate per avvicinarsi all’area elettrochimica dei felt. Dall’altra servono pannelli e volumi produttivi molto più grandi per realizzare stack industriali a costi accettabili. Risoluzione e throughput devono quindi migliorare contemporaneamente, mentre la carbonizzazione deve mantenere la geometria su aree sempre maggiori.

Il proof-of-concept ha comunque raggiunto il punto più importante: l’elettrodo stampato funziona davvero in una redox flow battery
La voltage efficiency del 76% a 50 mA/cm² non è un record industriale e la coulombic efficiency intorno al 71% mostra chiaramente che il prototipo ha ancora problemi da risolvere. Ma il gruppo non si limita più a misurare acqua o pressione attraverso una lattice: ha trasformato una struttura fotopolimerica in carbonio conduttivo, l’ha inserita in una cella al vanadio e ha completato cicli elettrochimici. Da qui in avanti la sfida non è dimostrare che le TPMS possano essere elettrodi, ma capire quale struttura, quale superficie e quale processo possano renderle competitive con materiali commerciali.

È questo che rende il lavoro rilevante per lo storage di energia
Le batterie redox flow vengono considerate una delle possibili tecnologie per accumulare energia rinnovabile per molte ore. In questo contesto anche pochi punti percentuali di efficienza e una riduzione delle perdite ausiliarie diventano importanti perché vengono moltiplicati per migliaia di cicli e grandi volumi di energia. La ricerca Waterloo-Eindhoven non fornisce ancora una nuova batteria pronta per una wind farm, ma sposta una domanda fondamentale: invece di chiedersi soltanto quale materiale usare per l’elettrodo, diventa possibile chiedersi quale geometria dovrebbe avere ogni millimetro dell’elettrodo per quella specifica batteria. Ed è precisamente una domanda alla quale la produzione additiva può dare risposte che i materiali porosi tradizionali non permettevano di fabbricare.

Studio Waterloo–Eindhoven: dati principali

Le informazioni principali sono riportate dal paper, dalla University of Waterloo e dall’articolo di 3D Printing Industry.

Risultati tecnici da non confondere

Il confronto idraulico e i valori dettagliati sono riportati nell’analisi di 3D Printing Industry; l’abstract scientifico conferma Diamond come miglior compromesso e il 76% di voltage efficiency nel proof-of-concept.

Dimostrato oggi vs ancora da risolvere