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环保高效!可回收的新型3D打印电池诞生,用植物淀粉和碳纳米管制成电极

2021-04-06 17:24 前瞻网   

 

由英国格拉斯哥大学领导的一个工程师团队,近期开发出了一种新型3D打印电池,它使用植物淀粉和碳纳米管制成的电极,可以为移动设备提供更环保、容量更高的电源。

这项研究旨在制造更可持续的锂离子电池,能够更有效地储存和输送电能。发表在《电源杂志》(Power Sources)上的一篇论文概述了这种电池的设计和制造。

环保高效!可回收的新型3D打印电池诞生,用植物淀粉和碳纳米管制成电极

锂离子电池提供了一个有用的组合:轻质,紧凑的形状因素和能力,可承受多次充电和放电循环。这使得它们非常适合广泛应用于各种设备,包括笔记本电脑、移动电话、智能手表和电动汽车。

像许多电池一样,锂离子电池由一个正极(通常由锂钴/锰氧化物或磷酸铁锂制成)和一个负极(通常由金属锂制成)组成。

在充电过程中,锂离子通过电解液从正极流到储存它们的负极。在使用过程中,离子向相反的方向流动,通过电化学反应产生能量,为设备提供动力。

目前设计的锂离子电池,储存和释放的能量的一个物理限制,就是其电极的厚度。较厚的电极限制锂离子在电极上的扩散,从而限制了锂离子电池的比能量。而如果增加电极的厚度,也会降低它们的应变耐受性,使它们更容易开裂。一旦电极断开,电池就失去了作用。

格拉斯哥领导的团队的电池旨在通过在设计中引入微小的纳米级微孔,在电极的大小和表面积之间取得更好的平衡。通过在电极的表面和内部穿孔,与具有相同外部尺寸的固体电极相比,它们可以大大增加表面积。

为此,他们使用了3D打印的增材制造技术,来严格控制电极上每个孔的大小和位置。他们将一种由聚乳酸、锂-铁磷酸盐和碳纳米管合成的材料装入3D打印机。

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,这增加了电池的可回收性。

他们用100、200和300微米三种不同厚度的圆形电极做实验。每个电极用不同的材料组合进行测试。通过在整个电极中引入严格控制的孔洞网格,材料混合物中碳纳米管的含量,按重量从3%到10%不等,气孔率则从10%到70%不等。

最厚的300微米电极的孔隙率增加,因而表面积增大,这也影响了电池的面积容量。较厚的电极能够存储4.4毫安时每平方厘米(或mAh cm−2),相比之下,100微米电极的存储容量为1.7 mAh cm−2,提高了158%。

这项研究是由格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的Shanmugam Kumar博士领导的,他的同事来自阿布扎比的哈利法科技大学、美国德克萨斯农工大学和亚利桑那州立大学。

该团队的论文《高性能锂离子电池的增材制造、微结构、多级多孔聚乳酸/磷酸铁锂/碳纳米管纳米复合电极》(Additive manufacturing enabled, microarchitected, hierarchically porous polylactic- acid/Lithium iron phosphate/carbon nanotube nanocomposite electrodes for high performance Li-Ion batteries)发表在《电源杂志》上。这项研究得到了阿布扎比国家石油公司的资助。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 3976DBC

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