鉅大LARGE | 點擊量：551次 | 2021年12月17日
科學家利用植物淀粉和碳納米管進行3D打印成電極 可制成更環(huán)保、更高容量的鋰離子電池
一種新型的三維印刷電池，利用植物淀粉和碳納米管制成的電極，可以為移動設備提供更環(huán)保、更高容量的電源。
格拉斯哥大學的一個工程師團隊開發(fā)了這種電池，以使鋰離子電池更可持續(xù)，能夠更有效地存儲和輸送電力。電池的設計和制造在《電源雜志》上發(fā)表的一篇論文中作了概述。
鋰離子電池提供了一個有用的組合，重量輕，緊湊的形式因素和能力，承受許多周期的充電和放電。這使得它們非常適合于廣泛的設備，包括筆記本電腦、手機、智能手表和電動汽車。
與許多電池一樣，鋰離子電池包括一個正極，通常由鋰鈷/錳氧化物或磷酸鐵鋰制成，負極通常由鋰金屬制成。充電期間，鋰離子從正極流過電解質(zhì)，流向負極，在那里儲存鋰離子。在使用過程中，離子流向相反的方向，通過電化學反應向電源裝置發(fā)電。
鋰離子電池的儲能和釋放能量電流設計的物理限制之一是電極的厚度。較厚的電極限制了鋰離子在電極上的擴散，從而限制了鋰離子電池的比能量。增加電極厚度也會降低其應變耐受性，使其更容易開裂。一旦電極斷開，電池就沒用了。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
格拉斯哥led團隊的電池旨在通過在設計中引入微小的納米和微尺度的孔或孔隙，在電極的尺寸和表面積之間達成更好的平衡。通過去除帶有孔的電極表面和內(nèi)部，與具有相同外部尺寸的實心電極相比，它們可以大大增加電極的表面積。
為此，他們使用了一種添加劑制造技術(shù)，也就是3D打印，來嚴格控制電極中每個孔的大小和位置。
他們用他們開發(fā)的材料將聚乳酸、磷酸鋰和碳納米管結(jié)合起來，裝載了他們的3D打印機。聚乳酸是一種可生物降解的材料，由玉米、甘蔗和甜菜淀粉加工而成，提高了電池的可回收性。
他們實驗在三種不同厚度的100，200和300微米的圓電極。用不同材料組合測試每個電極，將材料混合物中碳納米管的數(shù)量按重量的3%變?yōu)?0%，通過在整個電極上引入嚴格控制的孔柵，使其孔隙率從10%變?yōu)?0%。
該團隊的300微米電極電池，其70%的孔隙率在測試期間表現(xiàn)最好，其比容量為151毫安每克，或毫安/克——電池能容納多少電量的標準測量值。這是傳統(tǒng)鋰離子電池性能的2-3倍，其固體電極厚度相同。
300微米電極的孔隙率增加，從而增大了比表面積，也影響了電池的面積容量。較厚的電極能夠存儲4.4毫安每平方厘米（或毫安歐厘米?2），而100微米電極中的1.7毫安厘米-2則增加158%。
這項研究由格拉斯哥大學詹姆斯·瓦特工程學院的ShanmugamKumar博士以及阿布扎比的哈利法科技大學、德克薩斯A&M大學和美國亞利桑那州立大學的同事一起領導。。
Kumar博士說：“鋰離子電池在日常生活中越來越普遍，隨著我們向更大的交通電氣化和更可持續(xù)的世界邁進，鋰離子電池的普及率可能會繼續(xù)增加。然而，鋰離子電池有自己的可持續(xù)性問題，因此，我們必須尋找新的方法，使其更好、更環(huán)保。
“我們在本研究中使用的3D打印工藝，讓我們對電極孔隙率進行了顯著的控制，使我們能夠精確地設計出一種能夠解決當前鋰離子電池某些缺點的新型超材料。我們已經(jīng)創(chuàng)造了一個高比容量和面積容量的電池，具有極好的循環(huán)性。
“這些都是有希望的初步成果，我們熱切希望繼續(xù)探索這種微縮材料為未來消費者創(chuàng)造更好、更可回收的電池的可能性?！?/p>
該研究小組的論文名為“用于高性能鋰離子電池的添加劑制造、微結(jié)構(gòu)、分層多孔聚乳酸/磷酸鐵鋰/碳納米管納米復合電極”，發(fā)表在《電源雜志》上。
