科學家3D打印可生物降解電池以減少電子廢物

魔猴君  行業資訊   1279天前

全3D打印電池由柔性纖維素和甘油基材組成，并用導電碳和石墨墨水圖案化，能夠承受數千次充電循環，同時保持其容量。由于其可生物降解的基礎，這種新型電池在完成后也可以進行堆肥，有可能使其成為解決世界電子廢物問題的理想工具。

尋找可持續的“EDLC”

據 EMPA 科學家稱，最近電子可穿戴設備、包裝和物聯網 (IoT) 應用的蓬勃發展使這些設備的全球數量增加到 270 億。然而，鑒于它們的生命周期短，而且它們往往由不可再生的鋰離子或堿性電池供電，許多此類產品最終將被填埋，從而加劇全球“電子垃圾”問題。

為了開發更環保的儲能設備，科學家們因此開始試驗雙電層電容器或“EDLC”。這些高容量、快速充電的超級電容器至少可以部分由可生物降解的材料制成，可能使它們成為通常需要專門處理服務的普通電池的理想替代品。盡管對 EDLC 研發進行了大量研究，但它們的不同部件（例如電極和集電器）可能難以通過單一制造工藝生產。更重要的是，許多原型 EDLC 最多是部分 3D 打印的，需要耗時且昂貴的組裝或后處理，這使得它們作為商業企業沒有吸引力。

EMPA 研究人員的電池 DIW 3D 打印方法。圖片來自《先進材料》雜志。

“最先進”的超級電容器

為了簡化 EDLC 生產并創建自己的環保電池，EMPA 團隊轉向了 DIW 3D 打印，他們用它來制造兩個半電池，然后將它們折疊在一起。在實踐中，這意味著首先打印該單元的基板，然后將其電極和導電石墨注入電解質層沉積在頂部，在此過程中經過一些調整，產生了一個功能電池。“這聽起來很簡單，但事實并非如此，”EMPA 纖維素與木材材料實驗室的 Xavier Aeby 說。 “它進行了一系列擴展測試，直到所有參數都正確為止，直到所有組件都可靠地從打印機流出并且電容器工作。”他補充說：“作為研究人員，我們不想只是擺弄，我們還想了解我們的材料內部發生了什么。”

一旦他們的超級電容器原型準備就緒，科學家們就試圖通過將其充電至 0.5 V 來測試其電荷保持能力，然后再測量其開放表面電壓。據研究人員稱，他們的設備在 150 小時后仍剩余 30% 的電量，使其性能“與最先進的碳基超級電容器的性能保持一致”。有趣的是，研究人員發現，他們的超級電容器的容量也在制造后兩周波動，然后穩定下來，而在儲存八個月后仍保持功能，當他們完成實驗并嘗試堆肥時，他們能夠溶解在九周的過程中，它的質量約為其質量的 50%。在測試過程中，該團隊的設備最終能夠在機械壓力下為 3V 鬧鐘供電，并在變化很大的溫度下運行。因此，他們表示，通過進一步的研發，它可以在更廣泛的范圍內進行部署，以可持續地為低壓智能設備供電，例如用于環境監測、電子紡織品或醫療保健應用中的設備。

研究人員認為，他們的 3D 打印超級電容器未來有可能為其他低壓設備供電。照片來自 EMPA。

印刷電池：準備上市了嗎？

雖然 3D 打印電池仍處于相對早期的發展階段，但有跡象表明該技術正朝著最終用途的方向發展。更名后的 Sakuu Corporation 以前稱為 KeraCel，最近宣布計劃在 2022 年推出其首款固態電池 (SSB) 3D 打印機，據說其生產的電池容量遠高于當前的鋰離子設備。

在英國，3D 打印機制造商 Photocentric 已經建立了內部電池研發部門，它正在嘗試設計一種自己的新型節能存儲設備。通過減小電池電極的尺寸和重量，該公司的最終目標是開發一種更適合汽車應用的裝置，據說它的目標是即將推出的特斯拉 Giga 工廠。

在類似的但更多的實驗研究中，曼徹斯特大學的一個團隊開發了一種 3D 可打印的“MXene”墨水，并用它來生產原型超級電容器。 在測試期間，科學家們表示，他們的增材制造電極展示了為未來的汽車或手機供電所需的高電容和能量密度。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/41162.html