據(jù)外媒報道，格拉斯哥大學(xué)的研究人員一直在研究開發(fā)更具可持續(xù)性的鋰離子電池，以提高存儲和電能輸送的效率。最近，研究取得成果，研究人員制造出一種新型3D打印電池，可使用由植物淀粉制成的電極以及碳納米管，可為移動設(shè)備提供更環(huán)保、容量更高的電源。
鋰離子電池輕巧、結(jié)構(gòu)緊湊，且可承受多次充放電循環(huán)，非常適合在多種設(shè)備中使用，包括筆記本電腦、手機(jī)、智能手表和電動汽車。像眾多電池一樣，鋰離子電池正極通常由鋰鈷/錳氧化物或磷酸鐵鋰制成，而負(fù)極由鋰金屬制成。在充電過程中，鋰離子通過電解質(zhì)從正極流向負(fù)極，并儲存于負(fù)極中;放電過程中，離子又以相反的方向流動，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
但鋰離子電池存儲和釋放電能的電流設(shè)計存在物理限制，其中之一就是電極的厚度。較厚的電極會限制鋰離子在電極上的擴(kuò)散，從而限制其比能量。電極厚度增加還會降低其應(yīng)變?nèi)莶睿兊酶子谄屏选Ｒ坏╇姌O破裂，電池將無法繼續(xù)使用。
該研究小組研發(fā)的電池通過引入微小的納米級和微尺度孔或細(xì)孔，可使電極尺寸和表面積更平衡。與外部尺寸相同的固體電極相比，通過在電極表面和內(nèi)部打細(xì)孔可大大增加表面積。為此，研究人員使用了增材制造技術(shù)(也稱為3D打印)，嚴(yán)格控制電極中每個孔的大小和位置。
研究人員還在3D打印機(jī)中添加了新開發(fā)的結(jié)合聚乳酸、磷酸鐵鋰和碳納米管的材料，其中聚乳酸是一種可生物降解的材料，由玉米、甘蔗和甜菜的淀粉加工而成，可提高電池的可回收性。
研究人員制作出厚度分別為100、200和300微米的三種圓形電極，并采用不同的材料組合測試每個電極。通過在整個電極中引入嚴(yán)格控制的孔網(wǎng)格，可將材料混合物中碳納米管占比從3%變?yōu)?0%，將孔隙率從10%變?yōu)?0%。
該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的300微米電極電池具有70%的孔隙率，在測試過程中表現(xiàn)最佳，其比容量為每克151毫安培小時，是具有相同厚度固體電極的傳統(tǒng)鋰離子電池性能的2到3倍。300微米電極的表面積會隨孔隙率增加而增大，從而影響電池的面容量。與在100微米電極中獲得的1.7 mAh cm-2(毫安每平方厘米)相比，較厚電極每平方厘米能夠存儲4.4毫安小時，增益為158%。
這項(xiàng)研究由格拉斯哥大學(xué)James Watt工程學(xué)院的Shanmugam Kumar博士領(lǐng)導(dǎo)，其它研究人員分別來自阿布扎比哈里發(fā)科技大學(xué)、德克薩斯A&M大學(xué)和美國亞利桑那州立大學(xué)。
Kumar博士表示：“鋰離子電池在日常生活中越來越普遍，并且隨著交通運(yùn)輸電氣化和世界可持續(xù)的不斷發(fā)展，它會變得更加普遍。但是，鋰離子電池存在可持續(xù)性問題，因此必須尋找到新的方法使鋰離子電池變得更加環(huán)保。此項(xiàng)研究中心使用的3D打印技術(shù)可以很好地控制電極孔隙率，因此我們可以精確開發(fā)出能解決當(dāng)前鋰離子電池部分問題的超材料。基于這種材料設(shè)計出的電池具有高比容量和面容量，且具有出色的循環(huán)性能。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人鼓舞。我們希望可以不斷探索這種微體系結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)更多可能性，從而為未來制造出更好的可回收電池。”
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