La University of Waterloo ridisegna l’elettrodo invece di modificare la chimica della batteria
Un gruppo internazionale guidato dal professor Maxime van der Heijden della University of Waterloo ha utilizzato la stampa 3D per produrre elettrodi porosi con geometrie interne progettate matematicamente, dimostrando che l’architettura fisica dell’elettrodo può modificare in maniera sostanziale il comportamento di una redox flow battery. Il lavoro, pubblicato nel Journal of Energy Storage, utilizza strutture TPMS, Triply Periodic Minimal Surfaces, fabbricate mediante Digital Light Processing e successivamente convertite attraverso trattamento termico in elettrodi carboniosi conduttivi. Sono state confrontate geometrie Gyroid, Diamond, IWP e Cubic, analizzandone contemporaneamente trasporto di massa, perdita di pressione, superficie disponibile e comportamento elettrochimico. La geometria Diamond è risultata particolarmente efficace nel favorire il trasporto delle specie redox mantenendo relativamente bassa la resistenza idraulica. La University of Waterloo descrive il risultato come un incremento delle prestazioni del 52% per la configurazione migliore, ma è importante non trasformare questo valore in una generica affermazione secondo cui la batteria avrebbe il 52% in più di efficienza o capacità: il comunicato universitario non identifica quel numero come aumento dell’energia immagazzinata o della round-trip efficiency, mentre l’articolo scientifico concentra la propria conclusione sul miglioramento del mass transport e sul compromesso tra prestazioni elettrochimiche e perdite di pompaggio. I ricercatori hanno inoltre installato uno degli elettrodi stampati in una vera vanadium redox flow battery di laboratorio, ottenendo una voltage efficiency del 76% a una densità di corrente di 50 mA/cm². È un proof of concept, non una nuova batteria già pronta per essere installata su una rete elettrica, ma dimostra qualcosa di importante per l’Additive Manufacturing: in una flow battery l’elettrodo può essere trattato come un componente fluidodinamico progettato, invece di essere accettato come materiale poroso dalla struttura sostanzialmente casuale.
Le redox flow battery separano potenza ed energia più di quanto facciano le batterie convenzionali
Una redox flow battery funziona in modo molto diverso dalle celle agli ioni di litio utilizzate in smartphone, automobili elettriche e gran parte dei sistemi di accumulo elettrochimico oggi installati. L’energia non viene immagazzinata principalmente all’interno di elettrodi solidi inseriti permanentemente nella cella, ma in elettroliti liquidi contenenti specie chimiche capaci di cambiare stato di ossidazione. Due serbatoi conservano gli elettroliti positivo e negativo e delle pompe li fanno circolare attraverso un reattore elettrochimico separato da una membrana. Quando la batteria viene caricata o scaricata, gli elettroliti attraversano gli elettrodi porosi e avvengono le reazioni di ossidazione e riduzione che permettono di immagazzinare o restituire energia. Questa architettura consente di separare almeno in parte due grandezze che nelle batterie convenzionali sono fortemente collegate: la potenza dipende soprattutto da dimensione e numero delle celle dello stack, mentre l’energia disponibile dipende in buona parte dalla quantità di elettrolita contenuta nei serbatoi. Se è necessario immagazzinare energia per un periodo più lungo, in linea di principio è possibile aumentare volume dei serbatoi ed elettrolita senza aumentare nella stessa proporzione tutta la parte elettrochimica. È uno dei motivi per cui le flow battery vengono studiate soprattutto per accumulo stazionario, integrazione di fotovoltaico ed eolico e applicazioni nelle quali peso e volume sono meno critici rispetto a durata e capacità di immagazzinare grandi quantità di energia.
Il vanadio è una delle chimiche più conosciute, ma lo studio iniziale utilizza anche una coppia redox organica
La vanadium redox flow battery utilizza ioni di vanadio in differenti stati di ossidazione nei due circuiti. L’impiego dello stesso elemento da entrambe le parti può ridurre alcune conseguenze della contaminazione incrociata rispetto a sistemi basati su specie completamente differenti. Le flow battery acquose presentano inoltre un vantaggio di sicurezza potenziale rispetto alle celle agli ioni di litio basate su molti elettroliti organici infiammabili, anche se non devono per questo essere considerate prive di rischi: elettroliti, acidi, pompe, serbatoi e impianto devono comunque essere correttamente progettati e gestiti. Il gruppo Waterloo non ha effettuato tutta la caratterizzazione TPMS direttamente in una cella al vanadio. Per isolare meglio gli effetti legati al trasporto di massa è stata inizialmente utilizzata una singola cella elettrolitica con una coppia redox organica caratterizzata da cinetica relativamente rapida; soltanto successivamente un elettrodo rappresentativo è stato verificato in una vanadium redox full cell. Questa distinzione è importante perché consente di analizzare meglio la geometria senza confondere immediatamente il risultato con tutte le complessità cinetiche di una specifica chimica.
L’elettrodo è anche un componente fluidodinamico
In una flow battery l’elettrodo deve svolgere contemporaneamente almeno due funzioni che possono entrare in conflitto. Deve fornire una superficie elettrochimicamente attiva sufficientemente grande perché le reazioni avvengano rapidamente e deve consentire all’elettrolita di attraversarlo senza richiedere una quantità eccessiva di energia alle pompe. Una struttura molto chiusa può offrire elevata superficie interna ma creare una forte perdita di pressione. Una struttura molto aperta facilita il flusso ma può ridurre la quantità di superficie disponibile e quindi limitare la densità di corrente. Il problema non è quindi massimizzare una singola proprietà, ma trovare un equilibrio tra area attiva, trasporto di massa e hydraulic resistance. Le pompe consumano energia che non può essere ignorata: una cella che produce qualche punto percentuale in più di prestazioni elettrochimiche ma richiede una potenza molto maggiore per far circolare l’elettrolita potrebbe peggiorare l’efficienza complessiva del sistema. Il lavoro di Waterloo affronta esattamente questo compromesso progettando direttamente i percorsi attraverso i quali il liquido deve muoversi.
Gli elettrodi convenzionali utilizzano spesso feltri e materiali fibrosi che non sono nati specificamente per le flow battery
Una parte significativa delle redox flow battery utilizza carbon felt, carbon paper o altri elettrodi fibrosi. Sono materiali relativamente economici, conduttivi, chimicamente compatibili con numerosi elettroliti e dotati di elevata superficie interna. La loro microstruttura è però determinata dalla rete di fibre e non è stata necessariamente progettata in funzione dello specifico campo di flusso di una flow battery. Van der Heijden e Antoni Forner-Cuenca lavorano da diversi anni sul concetto di deterministic electrode design: invece di caratterizzare una struttura porosa già esistente e adattare il sistema al suo comportamento, si parte dalle esigenze di trasporto e si costruisce l’architettura corrispondente. La stampa 3D è particolarmente adatta a questo metodo perché consente di modificare in modo controllato dimensione dei canali, porosità, periodicità e superficie. Ogni elettrodo può essere prodotto con geometria leggermente diversa senza costruire nuovi stampi o nuovi processi tessili.
Le TPMS consentono di creare percorsi continui senza la classica rete di barre di una lattice
Le Triply Periodic Minimal Surfaces sono superfici matematiche periodiche nelle tre direzioni dello spazio. In una TPMS ideale la curvatura media della superficie è localmente nulla e la struttura si sviluppa attraverso superfici continue e interconnesse, producendo due volumi intrecciati e separati dalla stessa superficie. Geometrie come Gyroid e Diamond sono diventate note nell’Additive Manufacturing perché permettono di costruire strutture leggere, scambiatori di calore, metamateriali e sistemi nei quali fluidi e superficie devono interagire intensamente. Rispetto a una normale lattice costruita con barre e nodi, una TPMS può offrire transizioni molto più continue, senza gli stessi bruschi cambiamenti geometrici presenti nei punti di intersezione. In una flow battery questo può essere utile perché il liquido non deve semplicemente attraversare una serie di fori: deve essere distribuito uniformemente sull’intero volume dell’elettrodo, evitando contemporaneamente zone stagnanti e percorsi preferenziali troppo rapidi.
Gyroid, Diamond, IWP e Cubic mostrano che non tutte le porosità sono equivalenti
I ricercatori hanno prodotto quattro famiglie principali di elettrodi: Gyroid, Diamond, IWP e Cubic. A parità di volume esterno e condizioni generali, la forma dei percorsi interni modifica il modo in cui il fluido viene accelerato, deviato e distribuito. Il risultato sperimentale più favorevole è stato ottenuto dalla geometria Diamond, che nello studio combina un efficace trasporto delle specie verso la superficie con una perdita di pressione relativamente contenuta. Waterloo comunica un miglioramento prestazionale del 52% per questo design rispetto al riferimento considerato dal gruppo, ma il dato va mantenuto nel suo contesto sperimentale: non significa che una futura batteria di rete equipaggiata con elettrodi Diamond immagazzinerà automaticamente il 52% di energia in più. È più significativo il principio generale dimostrato: cambiando soltanto l’architettura dell’elettrodo, senza modificare la chimica fondamentale dell’elettrolita, è possibile cambiare in modo misurabile il comportamento elettrochimico e idraulico della cella.
Il Gyroid è stato utilizzato per studiare sistematicamente l’effetto della porosità
Il team ha approfondito in particolare la struttura Gyroid, una delle TPMS più conosciute e studiate. Sono state prodotte varianti con differenti livelli di porosità per capire come cambiasse l’equilibrio tra trasporto di massa e superficie disponibile. Aumentando la porosità il liquido incontra meno resistenza e attraversa più facilmente l’elettrodo, migliorando le caratteristiche fluidodinamiche. Contemporaneamente diminuisce però la quantità di superficie carboniosa disponibile per le reazioni elettrochimiche. Nelle condizioni analizzate questo compromesso può essere favorevole quando si utilizzano coppie redox con cinetica rapida e bassa conducibilità ionica, perché in quel caso migliorare il trasporto può avere un peso particolarmente elevato. In altri sistemi chimici potrebbe invece essere preferibile un diverso equilibrio. Il valore della stampa 3D sta proprio nella possibilità di non stabilire una sola porosità universale: la struttura può essere progettata per la chimica, la portata e la densità di corrente desiderate.
La stampa DLP realizza inizialmente un precursore, non direttamente l’elettrodo finale in carbonio
Un dettaglio tecnico fondamentale riguarda il processo produttivo. I ricercatori non stanno semplicemente caricando carbonio conduttivo in una comune stampante a resina per ottenere direttamente l’elettrodo finale. Il workflow parte dal modello digitale TPMS e utilizza Digital Light Processing, tecnologia di vat photopolymerization nella quale un’immagine luminosa polimerizza selettivamente un intero strato di resina fotosensibile. La struttura polimerica ottenuta viene pulita e sottoposta successivamente a trattamento termico, che converte il precursore in una struttura carboniosa conduttiva. È una strategia che il gruppo di van der Heijden e Forner-Cuenca aveva già utilizzato negli anni precedenti attraverso stereolitografia e carbonizzazione. Il passaggio termico è tutt’altro che banale: durante la conversione un materiale polimerico perde una parte significativa della massa, cambia composizione e può ritirarsi. Il processo deve quindi mantenere sufficientemente bene geometria e porosità originali. Lo studio del 2026 riporta che stampa e successivo trattamento termico hanno conservato con buona fedeltà le caratteristiche delle differenti TPMS, consentendo un confronto significativo tra le geometrie progettate e quelle effettivamente testate.
La DLP permette di modificare la microarchitettura senza ricostruire fisicamente l’attrezzatura
Per un esperimento di questo tipo la vat photopolymerization presenta un vantaggio importante rispetto a processi più tradizionali di fabbricazione di elettrodi. Passare da un Gyroid a un Diamond, modificare lo spessore delle pareti o cambiare la porosità significa principalmente modificare il modello digitale e produrre una nuova build. Questo rende possibile una campagna sperimentale nella quale decine di architetture vengono confrontate in maniera sistematica. In futuro lo stesso principio potrebbe essere combinato con CFD, topology optimization, algoritmi genetici o intelligenza artificiale per generare automaticamente strutture che ottimizzino contemporaneamente pressione, superficie e trasporto. Il passaggio da “quale materiale poroso possiamo comprare?” a “quale struttura dovrebbe avere l’elettrodo per questa specifica cella?” è probabilmente il contributo più importante dell’Additive Manufacturing alla ricerca.
Il confronto con il carbon felt mostra contemporaneamente potenzialità e limite dell’approccio
Il team ha confrontato gli elettrodi TPMS con un carbon felt commerciale. Le strutture stampate hanno mostrato resistenza ohmica comparabile e caratteristiche fluidodinamiche favorevoli. Non hanno però ancora superato il felt in tutto: la loro electrochemical surface area è risultata inferiore e questa limitazione riduce la densità di corrente che può essere raggiunta. È un risultato fondamentale perché impedisce una lettura eccessivamente ottimistica del lavoro. La stampa 3D offre un controllo geometrico molto superiore, ma le dimensioni delle strutture ottenibili con la tecnologia utilizzata rimangono molto più grandi delle fibre e della micro-porosità presenti in un felt di carbonio. Un elettrodo ideale potrebbe quindi richiedere una struttura gerarchica: grandi canali progettati per distribuire il fluido e una micro/nanostruttura molto più fine per aumentare la superficie elettrochimicamente attiva. Gli stessi ricercatori indicano l’aumento della superficie come una delle principali direzioni del lavoro futuro.
Il prossimo passo potrebbe essere una struttura gerarchica su più scale
Una TPMS può controllare in modo eccellente flusso e macroporosità, ma non deve necessariamente costituire da sola tutta la superficie attiva. È possibile immaginare elettrodi nei quali la geometria principale viene stampata in 3D e successivamente ricoperta, attivata o modificata attraverso trattamenti che introducono porosità molto più piccole. Un’altra possibilità consiste nel migliorare risoluzione e formulazione del precursore per generare strutture secondarie direttamente durante la fabbricazione. Il risultato ideale sarebbe un elettrodo gerarchico: millimetri e centinaia di micrometri utilizzati per gestire il flusso, scale inferiori dedicate alla superficie elettrochimica. È una logica già osservata in molti sistemi biologici e negli scambiatori di calore più avanzati, dove una sola scala geometrica raramente riesce a ottimizzare contemporaneamente trasporto e area di interfaccia.
Il test nella vanadium redox flow battery porta il lavoro oltre la semplice caratterizzazione fluidodinamica
Dopo gli esperimenti sulla coppia redox organica, i ricercatori hanno selezionato un elettrodo Gyroid rappresentativo e lo hanno installato in una full cell al vanadio. La cella ha raggiunto una voltage efficiency del 76% a 50 mA/cm². La voltage efficiency descrive il rapporto tra tensione media di scarica e tensione media necessaria durante la carica e costituisce soltanto una parte della valutazione complessiva di una batteria. Non va quindi confusa con coulombic efficiency, energy efficiency o round-trip efficiency del sistema completo. Anche la densità di corrente di 50 mA/cm² è relativamente moderata rispetto a ciò che può essere richiesto a sistemi commerciali avanzati. Il risultato dimostra tuttavia che l’elettrodo carbonizzato non funziona soltanto in una configurazione costruita appositamente per analizzare mass transfer: può realmente sostenere cicli elettrochimici all’interno di una vanadium flow battery.
La pressione di pompaggio deve entrare nella valutazione della vera efficienza di sistema
Un elettrodo può apparire ottimo osservando esclusivamente una curva elettrochimica e risultare meno interessante quando viene considerato il consumo delle pompe. Se la struttura è molto compatta, la pompa deve fornire una pressione maggiore per mantenere la portata. L’energia assorbita dal sistema ausiliario riduce quella realmente restituita all’utente. Questo è particolarmente importante nell’accumulo stazionario, dove un impianto può funzionare per migliaia di ore e anche piccoli consumi parassiti accumulano un impatto significativo. Lo studio misura proprio la pressure drop delle diverse geometrie e identifica Diamond come interessante perché migliora mass transport senza imporre una penalizzazione idraulica eccessiva. È una prospettiva tipicamente ingegneristica: non viene cercato l’elettrodo con il massimo valore di una singola proprietà, ma il componente che può contribuire al migliore comportamento dell’intero sistema.
Non tutte le flow battery utilizzano necessariamente elettroliti acquosi e non tutte competono direttamente con il litio
Il comunicato Waterloo utilizza correttamente le batterie redox flow acquose come esempio potenzialmente più sicuro rispetto alle celle agli ioni di litio con elettroliti organici infiammabili. Conviene però evitare una generalizzazione. Esistono numerose chimiche flow, comprese soluzioni acquose e non acquose, sistemi al vanadio, ferro, zinco-bromo e molecole organiche. Anche i requisiti applicativi sono differenti. Le flow battery non sono necessariamente il sostituto più logico di una batteria agli ioni di litio in uno smartphone o in un’automobile: serbatoi e pompe rendono l’architettura molto più adatta ad applicazioni stazionarie. Litio e flow battery possono quindi essere tecnologie complementari. Le prime possiedono elevata densità energetica e una supply chain industriale enorme; le seconde possono diventare interessanti quando occorrono molte ore di accumulo, lunga durata operativa e possibilità di aumentare l’energia installata modificando principalmente il volume dei serbatoi.
Il costo dell’elettrodo stampato dovrà essere confrontato con materiali estremamente semplici come il felt
Il controllo geometrico ha un costo. Un carbon felt viene prodotto attraverso tecnologie mature e può essere tagliato rapidamente nelle dimensioni richieste. Un elettrodo DLP richiede invece resina, tempo macchina, lavaggio, gestione del precursore, ciclo termico di carbonizzazione e controllo della geometria. Per applicazioni di rete potrebbero essere necessari metri quadrati o quantità molto elevate di superficie elettrodica. La sfida sarà quindi trasformare il vantaggio prestazionale della geometria in un vantaggio economico a livello di sistema. Un elettrodo più costoso potrebbe essere comunque competitivo se consentisse di ridurre superficie dello stack, dimensione delle pompe o altri elementi costosi, ma questo richiede un’analisi techno-economic completa. Lo studio attuale è focalizzato sui principi di trasporto e non dimostra ancora che il processo DLP-carbonizzazione sia economicamente competitivo con i normali elettrodi commerciali su scala industriale.
Anche il passaggio dalla piccola cella al grande stack può modificare il risultato
Le geometrie TPMS vengono testate in celle da laboratorio nelle quali distribuzione del flusso e dimensioni sono attentamente controllate. Uno stack industriale contiene molte celle, grandi superfici, collettori, manifold e sistemi di pompaggio. Una geometria eccellente su pochi centimetri può mostrare nuovi problemi quando la dimensione aumenta: gradienti di pressione, tolleranze di fabbricazione, deformazioni dopo carbonizzazione e distribuzione non uniforme dell’elettrolita possono diventare più importanti. La scalabilità della DLP è quindi una delle questioni aperte. Le tecnologie di proiezione possono produrre rapidamente un intero layer, ma l’area costruibile dipende dal sistema ottico e dalla risoluzione. Diventa necessario stabilire se grandi elettrodi possano essere prodotti monoliticamente, in moduli assemblati oppure attraverso processi di stampa differenti.
Il lavoro del 2026 prosegue una ricerca iniziata almeno nel 2023
Van der Heijden e il gruppo di Antoni Forner-Cuenca avevano già pubblicato nel 2023 uno studio su elettrodi prodotti tramite stereolitografia e successiva carbonizzazione. Quel lavoro utilizzava strutture reticolari ordinate e mostrava come direzione di stampa, forma dei pilastri e configurazione del flow field modificassero mass transfer e perdita di pressione. Le strutture con pilastri elicoidali o triangolari e alcune configurazioni interdigitate miglioravano il trasporto rispetto a geometrie più semplici. Il nuovo studio compie un passo ulteriore passando da strutture a barre relativamente intuitive a TPMS matematicamente continue e confrontando sistematicamente differenti famiglie geometriche. È quindi più corretto leggere la ricerca Waterloo come evoluzione di un programma di deterministic electrode design, non come un singolo esperimento nato improvvisamente nel 2026.
La produzione additiva permette di separare progressivamente materiale e architettura
Nella produzione convenzionale le proprietà di un elettrodo poroso dipendono fortemente dal modo in cui il materiale viene prodotto: feltro, carta o schiuma possiedono una microstruttura generata dal loro stesso processo manifatturiero. Con la stampa 3D materiale e forma diventano almeno in parte variabili indipendenti. Lo stesso precursore carbonioso può essere organizzato come Diamond, Gyroid o IWP; successivamente il comportamento cambia pur mantenendo una chimica simile. È un concetto che l’Additive Manufacturing ha già introdotto in scambiatori di calore, metamateriali e strutture leggere e che ora viene applicato a un componente elettrochimico. La prestazione non deriva soltanto da “che materiale è?”, ma anche da “come è organizzato nello spazio?”.
TPMS e simulazione fluidodinamica potrebbero diventare un sistema di progettazione automatica
Il passo successivo indicato dai ricercatori riguarda anche strumenti di design più avanzati. Una possibile evoluzione consiste nel collegare CFD, modelli elettrochimici e ottimizzazione matematica. Il software potrebbe partire dalla portata richiesta, viscosità e conducibilità dell’elettrolita, cinetica della reazione e limite di pressione della pompa e cercare automaticamente la struttura che massimizza l’output netto. La soluzione non dovrebbe neppure essere una TPMS classica con porosità uniforme. Potrebbe presentare un gradiente: canali più aperti all’ingresso, regioni più dense dove serve maggiore superficie e differenti scale geometriche lungo il percorso. La stampa 3D permette di realizzare questo tipo di variazione senza assemblare materiali differenti. Algoritmi generativi e AI potrebbero ulteriormente ampliare lo spazio di ricerca, ma il loro valore dipenderà dalla disponibilità di modelli fisici che tengano conto contemporaneamente di fluidodinamica ed elettrochimica.
Il risultato più interessante non è quindi il 52%, ma la possibilità di progettare il percorso dell’elettrolita
Il numero del 52% utilizzato nella comunicazione Waterloo rende immediatamente visibile il miglioramento della configurazione Diamond, ma il contributo scientifico più importante è probabilmente meno appariscente. I ricercatori dimostrano che la microarchitettura dell’elettrodo può diventare una variabile di progetto sistematica e quantificabile. Il valore di Diamond non è universale e potrebbe cambiare utilizzando altra chimica, altra portata o altra densità di corrente. Proprio questa dipendenza rende interessante la produzione additiva: non bisogna cercare una singola geometria destinata a sostituire tutti i felt di carbonio, ma progettare la struttura in funzione del sistema nel quale verrà utilizzata.
Prima dell’applicazione industriale restano superficie attiva, scala produttiva e costi
Lo stesso team indica tre aree principali per il seguito della ricerca: aumentare la superficie dell’elettrodo, migliorare il processo di fabbricazione ed esplorare strumenti di design più avanzati. La prima è necessaria perché il confronto con il carbon felt mostra ancora una limitazione nelle densità di corrente raggiungibili. La seconda è essenziale perché un processo DLP seguito da carbonizzazione deve essere scalabile e ripetibile se deve produrre grandi quantità di materiale per storage di rete. La terza può sfruttare realmente il vantaggio della stampa 3D: se vengono prodotte soltanto quattro forme standard, una parte significativa della libertà geometrica disponibile rimane inutilizzata. Serviranno inoltre studi su durata dopo migliaia di cicli, stabilità chimica, comportamento meccanico, costi e produzione di elettrodi di dimensioni molto maggiori.
La stampa 3D non crea una nuova chimica della batteria, ma può rendere migliore il reattore che la utilizza
Questo distingue il lavoro Waterloo da molte notizie sul futuro delle batterie. Non viene annunciato un nuovo elettrolita con densità energetica eccezionale e non viene proposta una chimica destinata a sostituire quelle esistenti. Si interviene su un componente spesso meno visibile: la struttura attraverso la quale l’elettrolita deve effettivamente muoversi per raggiungere la superficie reattiva. È un problema nel quale geometria, fluidodinamica ed elettrochimica sono inseparabili e quindi particolarmente adatto all’Additive Manufacturing. Il proof of concept nella vanadium redox flow battery, con voltage efficiency del 76% a 50 mA/cm², mostra che gli elettrodi carboniosi stampati possono funzionare in una vera configurazione elettrochimica; il confronto con il felt ricorda contemporaneamente che il nuovo design non ha ancora superato tutti i limiti della tecnologia convenzionale. La direzione più interessante potrebbe essere proprio combinare i due mondi: la superficie specifica tipica dei materiali fibrosi con la capacità della stampa 3D di controllare il flusso su scala superiore. Se i ricercatori riusciranno a ottenere questa struttura gerarchica e a produrla economicamente su grandi superfici, l’elettrodo potrebbe smettere di essere un semplice materiale poroso e diventare un vero componente ingegnerizzato dell’impianto di accumulo.
Studio University of Waterloo – dati principali
| Voce | Dato |
|---|---|
| Studio | Enhancing Mass Transport in Redox Flow Batteries with 3D-Printed Triply Periodic Minimal Surface Electrode Structures |
| Rivista | Journal of Energy Storage |
| Volume | 179, Part C |
| Articolo | 123821 |
| DOI | 10.1016/j.est.2026.123821 |
| Pubblicazione online | Agosto 2026 |
| Issue | 30 novembre 2026 |
| Autori | Maxime van der Heijden, Mojtaba Barzegari, Joey Aarts, Baichen Liu, Antoni Forner-Cuenca |
| Tecnologia AM | Digital Light Processing |
| Materiale finale | Elettrodo carbonioso |
| Geometrie | Gyroid, Diamond, IWP, Cubic |
| Migliore geometria nel confronto | Diamond |
| Miglioramento comunicato da Waterloo | 52% nelle condizioni testate |
| Test iniziali | Single-electrolyte flow cell |
| Coppia redox iniziale | Organica, cineticamente rapida |
| Proof of concept finale | Vanadium redox flow battery |
| Voltage efficiency full cell | 76% |
| Densità di corrente | 50 mA/cm² |
Nota sul 52%: Waterloo parla di un incremento delle prestazioni del 52% per la geometria Diamond. Non è corretto trasformarlo in +52% di capacità energetica, energy efficiency o autonomia della batteria, perché queste equivalenze non sono indicate nell’articolo scientifico.
Geometrie TPMS analizzate
| Geometria | Ruolo nello studio |
|---|---|
| Diamond | Migliore compromesso tra mass transport e hydraulic resistance |
| Gyroid | Utilizzato anche per studiare sistematicamente l’effetto della porosità |
| IWP | Confronto fluidodinamico ed elettrochimico |
| Cubic | Confronto fluidodinamico ed elettrochimico |
Cosa deve ottimizzare un elettrodo per redox flow battery
| Parametro | Se aumenta/diminuisce troppo |
|---|---|
| Superficie elettrochimica | Una superficie insufficiente limita la densità di corrente |
| Porosità | Troppo bassa aumenta la resistenza al flusso |
| Porosità molto alta | Può ridurre la superficie disponibile |
| Mass transport | Se insufficiente limita le reazioni |
| Pressure drop | Se elevata aumenta il consumo delle pompe |
| Conduttività elettrica | Una resistenza elevata aumenta le perdite |
| Distribuzione del flusso | Percorsi non uniformi lasciano zone dell’elettrodo sottoutilizzate |
| Dimensione dei pori | Influenza contemporaneamente flusso e superficie |
| Geometria | Determina il compromesso complessivo |
TPMS stampato vs carbon felt commerciale
| Caratteristica | TPMS 3D printed | Carbon felt |
|---|---|---|
| Geometria | Deterministica e progettata | Fibrosa/stocastica |
| Porosità | Modificabile digitalmente | Dipende dal prodotto |
| Flow path | Progettato | Determinato dalle fibre |
| Ohmic resistance nello studio | Comparabile al felt | Riferimento |
| Flow characteristics | Favorevoli | Consolidate |
| Electrochemical surface area | Inferiore nello studio | Maggiore |
| Densità di corrente | Ancora limitata dalla minore area | Vantaggio nel confronto |
| Personalizzazione | Molto elevata | Limitata |
| Processo produttivo | DLP + trattamento termico | Produzione fibrosa consolidata |
| Maturità industriale RFB | Sperimentale | Elevata |
Workflow DLP → elettrodo carbonioso
| Fase | Funzione |
|---|---|
| 1. Modellazione CAD | Generazione della TPMS |
| 2. Scelta porosità | Controllo dei canali e della superficie |
| 3. DLP | Produzione della struttura polimerica |
| 4. Cleaning/post-processing | Rimozione della resina residua |
| 5. Trattamento termico | Conversione/carbonizzazione del precursore |
| 6. Controllo geometria | Verifica del mantenimento della TPMS |
| 7. Test di pressione | Misura hydraulic resistance |
| 8. Test elettrochimico | Misura della risposta della cella |
| 9. Full-cell test | Verifica in vanadium RFB |
Modello della stampante DLP, formulazione esatta della resina e ciclo termico dettagliato non sono riportati nelle sintesi pubbliche consultate e non vengono quindi attribuiti allo studio.
Effetto della porosità osservato sul Gyroid
| Porosità | Effetto generale |
|---|---|
| Più bassa | Più materiale e maggiore superficie potenziale |
| Più bassa | Maggiore resistenza al passaggio del liquido |
| Più alta | Migliori caratteristiche di flusso |
| Più alta | Riduzione della superficie |
| Conclusione | Esiste un optimum dipendente dalla chimica e dalle condizioni operative |
Redox flow battery e litio: confronto concettuale
| Voce | Redox Flow Battery | Li-ion |
|---|---|---|
| Accumulo energia | Elettroliti liquidi esterni | Materiali attivi nella cella |
| Serbatoi esterni | Sì | No |
| Pompe | Sì | No |
| Energia e potenza | Più facilmente separabili | Più strettamente collegate |
| Espansione capacità | Più elettrolita/serbatoi più grandi | Più celle/moduli |
| Densità energetica | Generalmente inferiore | Generalmente superiore |
| Mobilità | Poco favorevole | Molto favorevole |
| Grid storage | Potenzialmente molto interessante | Già ampiamente utilizzato |
| Elettroliti acquosi | Possibili/comuni in molte RFB | Non tipici delle Li-ion commerciali |
| Rischio di infiammabilità | Potenzialmente ridotto nelle RFB acquose | Presente negli elettroliti organici |
| Ruolo | Complementare al litio | Ampio spettro di applicazioni |
Limiti ancora da affrontare
| Problema | Stato |
|---|---|
| Superficie elettrochimica | Inferiore al carbon felt nello studio |
| Current density | Ancora limitata |
| Grande scala | Da dimostrare |
| Costo DLP + carbonizzazione | Da valutare industrialmente |
| Durata a molti cicli | Richiede ulteriore validazione |
| Produzione di grandi superfici | Da sviluppare |
| Controllo del ritiro termico | Critico per la precisione |
| Techno-economic analysis | Necessaria |
| Design multiscala | Direzione futura |
| Automazione del design | Area di ricerca futura |
