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格拉斯哥大学工程师开发出新型3D“蔬菜”电池

据外媒报道,格拉斯哥大学的研究人员一直在研究开发更具可持续的锂离子电池,以提高存储和电能输送的效率。最,研究取得成果,研究人员制造出一种新型3D打印电池,可使用由植物淀粉制成的电极以及碳纳米管,可为移动设备提供更环保、容量更高的电源。

锂离子电池轻巧、结构紧凑,且可承受多次充放电循环,非常适合在多种设备中使用,包括笔记本电脑、手机、智能手表和电动汽车。像众多电池一样,锂离子电池正极通常由锂钴/锰氧化物或磷酸铁锂制成,而负极由锂金属制成。在充电过程中,锂离子通过电解质从正极流向负极,并储存于负极中;放电过程中,离子又以相反的方向流动,通过电化学反应产生电能。

但锂离子电池存储和释放电能的电流设计存在物理限制,其中之一就是电极的厚度。较厚的电极会限制锂离子在电极上的扩散,从而限制其比能量。电极厚度增加还会降低其应变容差,变得更易于破裂。一旦电极破裂,电池将无法继续使用。

该研究小组研发的电池通过引入微小的纳米级和微尺度孔或细孔,可使电极尺寸和表面积更衡。与外部尺寸相同的固体电极相比,通过在电极表面和内部打细孔可大大增加表面积。为此,研究人员使用了增材制造技术(也称为3D打印),严格控制电极中每个孔的大小和位置。

研究人员还在3D打印机中添加了新开发的结合聚乳酸、磷酸铁锂和碳纳米管的材料,其中聚乳酸是一种可生物降解的材料,由玉米、甘蔗和甜菜的淀粉加工而成,可提高电池的可回收

研究人员制作出厚度分别为100、200和300微米的三种圆形电极,并采用不同的材料组合测试每个电极。通过在整个电极中引入严格控制的孔网格,可将材料混合物中碳纳米管占比从3%变为10%,将孔隙率从10%变为70%。

该团队开发的300微米电极电池具有70%的孔隙率,在测试过程中表现最佳,其比容量为每克151毫安培小时,是具有相同厚度固体电极的传统锂离子电池能的2到3倍。300微米电极的表面积会随孔隙率增加而增大,从而影响电池的面容量。与在100微米电极中获得的1.7 mAh cm-2(毫安每方厘米)相比,较厚电极每方厘米能够存储4.4毫安小时,增益为158%。

这项研究由格拉斯哥大学James Watt工程学院的Shanmugam Kumar博士领导,其它研究人员分别来自阿布扎比哈里发科技大学、德克萨斯A&M大学和美国亚利桑那州立大学。

Kumar博士表示:“锂离子电池在日常生活中越来越普遍,并且随着交通运输电气化和世界可持续的不断发展,它会变得更加普遍。但是,锂离子电池存在可持续问题,因此必须寻找到新的方法使锂离子电池变得更加环保。此项研究中心使用的3D打印技术可以很好地控制电极孔隙率,因此我们可以精确开发出能解决当前锂离子电池部分问题的超材料。基于这种材料设计出的电池具有高比容量和面容量,且具有出色的循环能。初步实验结果令人鼓舞。我们希望可以不断探索这种微体系结构,发现更多可能,从而为未来制造出更好的可回收电池。”

责任编辑:Rex_30