3D打印“蔬菜”電池：可回收，更高效

來源：科技工作者之家

英國格拉斯哥大學（UOG）領導的團隊以植物淀粉和碳納米管為電極材料，用3D打印技術制造了一種新型鋰電池。這將為移動設備提供更環(huán)保、容量更大的電源。相關研究成果刊登在《電源雜志》中。鋰離子電池具有輕質(zhì)、緊湊和循環(huán)性能較好等優(yōu)點，非常適合用作筆記本電腦、移動電話、智能手表和電動汽車的電源。鋰離子電池包含鋰鈷、錳氧化物或磷酸鐵鋰制成的正極，以及金屬鋰構(gòu)成的負極。在充電過程中，鋰離子通過電解液，從正極流向負極。在放電過程中，離子反方向流動，通過電化學反應產(chǎn)生能量，為設備提供動力。

多孔結(jié)構(gòu)的微觀形態(tài)（左）與電極循環(huán)充

電極厚度是影響鋰離子電池儲存和釋放能量的主要物理因素之一。厚電極不僅會限制鋰離子在電極上的擴散效果，進而限制鋰離子電池的比能，還會降低電池的應變耐受性，使其更易因開裂而失效。

UOG設計的電池旨在通過引入納米級微孔，在電極尺寸與電極表面積之間建立更好的平衡關系。與外部尺寸相等的固體電極相比，微孔電極的表面積得到顯著增加。為此，研究人員使用3D打印（即增材制造）技術，對電極上微孔的尺寸和位置進行了精確控制。3D打印的原料主要為聚乳酸、鋰-鐵磷酸鹽和碳納米管。其中，聚乳酸是由玉米淀粉、甘蔗淀粉、甜菜淀粉加工而成的可生物降解材料，它有效提高了電池的可回收性。

研究人員測試了不同厚度（100、200和300微米）、不同材料組合（碳納米管含量3%~10%）不同微孔率（10%~70%）的圓形電極的性能。結(jié)果表明，300微米厚度、70%微孔率的電極性能最好，其比能為151 mAhg-1，大約是使用同等厚度固體電極的傳統(tǒng)鋰離子電池容量的2~3倍。這種優(yōu)化方式也解決了電極厚度帶來的問題。相較于100微米厚的電極，300微米厚電極的儲電容量提高了158%。

論文作者、項目負責人Shanmugam Kumar博士說：“鋰離子電池已經(jīng)在日常生活中占據(jù)了重要地位。隨著電氣化和可持續(xù)化發(fā)展的深入，其重要性還將繼續(xù)提升。然而，鋰離子電池自身的可持續(xù)性問題不容忽視。在這項研究中，我們使用3D打印工藝對電極的微孔率進行了精確控制，一定程度上彌補了現(xiàn)有鋰離子電池的缺陷。我們希望繼續(xù)探索這種微結(jié)構(gòu)電極材料的潛在應用性，進而開發(fā)出性能更優(yōu)越、更易回收的可循環(huán)鋰電池�！�