重庆大学张亮：3D打印Cu/C复合电极助力热再生电池

工业和地热过程产生的低等级废热是可通过能量回收利用的大量能源。热再生氨电池(TRAB)是最近被开发出来的极具前途的储能技术。应用该技术可有效的将低等级废热转化为电能。在发电过程中氨被添加到阳极，铜电极失去电子，形成铜-氨络合物。电子通过外部电路到达阴极，从而产生电流。在热再生过程中，NH₃在通过加热放电后从用过的阳极电解液中分离出来，以确保可持续的发电。为了提升TRAB的储能性能，研究人员提出采用3D泡沫铜通过增加电极表面积的方式来提升电池性能。然而，这种方式会增加传质阻力且在长时间电池反应后会导致泡沫铜的骨架破裂，使得电池失效。3D多孔碳作为骨架的Cu/C复合电极是被提出来的可改善这一问题的新技术。廉价的多孔碳作为骨架不参与阳极和阴极的化学反应，可提高电极框架的稳定性。为了实现对电极表面积和传质阻力的控制，重庆大学张亮使用3D打印技术制造多孔碳基镀铜复合电极来提升TRAB性能，并研究了电极孔径对传质阻力和TRAB性能的影响。

作者采用3D打印技术（图1所示）制造了孔径尺寸为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9 mm的1×1×1 cm³的Cu/C复合电极，并应用这些电极构建了TRAB电池，同时还构建了具有相同电极尺寸和反应器的泡沫铜的TRAB。为了观察阳极的电极孔径对电池性能的影响，将具有相同直径的电极作为阴极，具有不同直径的电极作为阳极。

本文提出了利用3D打印多孔Cu/C复合电极来提高TRAB-Cu/C的发电能力。结果表明，通过3D打印技术可以成功地将铜电镀在碳骨架表面，并实现对电极孔径的调节。由于Cu/C电极反应电阻较低，TRAB- Cu/C的最大功率密度比TRAB- Cu的最大功率密度高5.8%。此外，电极孔径减小导致电极表面积增大，进而增大传质阻力。随着电极孔径的增大，最大功率密度先增大后减小，在电极孔径为0.6 mm时最大功率密度达到峰值。这项研究为热再生氨电池(TRAB)的进一步工业化的应用提供了技术支持。

Performance of a Thermally Regenerative Battery with 3D-Printed Cu/C Composite Electrodes: Effect of Electrode Pore Size, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020.