3D打印“蔬菜”电池：可回收，更高效

来源：科技工作者之家

英国格拉斯哥大学（UOG）领导的团队以植物淀粉和碳纳米管为电极材料，用3D打印技术制造了一种新型锂电池。这将为移动设备提供更环保、容量更大的电源。相关研究成果刊登在《电源杂志》中。锂离子电池具有轻质、紧凑和循环性能较好等优点，非常适合用作笔记本电脑、移动电话、智能手表和电动汽车的电源。锂离子电池包含锂钴、锰氧化物或磷酸铁锂制成的正极，以及金属锂构成的负极。在充电过程中，锂离子通过电解液，从正极流向负极。在放电过程中，离子反方向流动，通过电化学反应产生能量，为设备提供动力。

多孔结构的微观形态（左）与电极循环充

电极厚度是影响锂离子电池储存和释放能量的主要物理因素之一。厚电极不仅会限制锂离子在电极上的扩散效果，进而限制锂离子电池的比能，还会降低电池的应变耐受性，使其更易因开裂而失效。

UOG设计的电池旨在通过引入纳米级微孔，在电极尺寸与电极表面积之间建立更好的平衡关系。与外部尺寸相等的固体电极相比，微孔电极的表面积得到显著增加。为此，研究人员使用3D打印（即增材制造）技术，对电极上微孔的尺寸和位置进行了精确控制。3D打印的原料主要为聚乳酸、锂-铁磷酸盐和碳纳米管。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，它有效提高了电池的可回收性。

研究人员测试了不同厚度（100、200和300微米）、不同材料组合（碳纳米管含量3%~10%）不同微孔率（10%~70%）的圆形电极的性能。结果表明，300微米厚度、70%微孔率的电极性能最好，其比能为151 mAhg-1，大约是使用同等厚度固体电极的传统锂离子电池容量的2~3倍。这种优化方式也解决了电极厚度带来的问题。相较于100微米厚的电极，300微米厚电极的储电容量提高了158%。

论文作者、项目负责人Shanmugam Kumar博士说：“锂离子电池已经在日常生活中占据了重要地位。随着电气化和可持续化发展的深入，其重要性还将继续提升。然而，锂离子电池自身的可持续性问题不容忽视。在这项研究中，我们使用3D打印工艺对电极的微孔率进行了精确控制，一定程度上弥补了现有锂离子电池的缺陷。我们希望继续探索这种微结构电极材料的潜在应用性，进而开发出性能更优越、更易回收的可循环锂电池。”