科学家3D打印可生物降解的一次性纸质电池，有望减少电子垃圾

导读：一直以来，电子材料报废后的无公害处理都是困扰科学家的一大难题，这是由于像电池中所包含的各种稀有金属一旦流入自然界会对周边环境造成不可逆的破坏。这种电子废物带来污染事实上远比石油能源污染更大，如果不能有效解决电子垃圾问题，那长期以来倡导的“新能源”恐怕未来会面临着更大的挑战。那么有没有无污染或者容易降解的电池材料呢？

2021年10月22日，南极熊获悉，瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）的研究人员已经使用3D打印技术创造了一种环保可持续的新型超级电容器。

这种完全3D打印的电池由灵活的纤维素和甘油基底组成，用导电的碳和含石墨的墨水绘制图案，能够承受成千上万次的充电循环，同时保持其容量。由于可生物降解的基底，这种新型电池在使用完毕后还可以被堆肥，有可能使其成为解决世界电子废物问题的理想工具。

寻找一个可持续的 "EDLC"

EMPA的科学家声称，随着最近电子可穿戴设备、包装和物联网（IoT）应用的蓬勃发展，它们的全球总量上升到270亿。然而，鉴于这些设备的生命周期很短，而且它们往往由不可再生的锂离子或碱性电池供电，许多此类产品最终将被填埋，使全球电子垃圾问题加剧恶化。

因此，为了致力于开发更多的生态友好型能源储存设备，科学家们已经开始试验电双层电容器，或"EDLCs"。这些高容量、快速充电的超级电容器至少可以部分由可生物降解的材料制造，有可能使它们成为普通电池的理想替代品，而普通电池通常需要专门的处理服务。

尽管在EDLC的研发中已经进行了大量的研究，但它各个不同的部分，如电极和集电器，可能很难通过单一的制造工艺来生产。更重要的是，许多EDLC原型最多只是部分3D打印，需要耗费时间和昂贵的组装或后期处理，这使得它们作为商业投资没有吸引力。

△EMPA研究人员的电池DIW 3D打印方法。图片来自《先进材料》杂志。

△G-H）3D打印的高导电性桥接支架的图片（光学图片和SEM图像）；I）从上到下：10、5、2.5mm高宽比

△A）打印电解质层之前的打印品照片，包括用集电油墨获得的电接触的放大图；B）折叠后的一次性装置的照片。

△E）一次性纸质超级电容器的打印设计示意图。F) 印刷在曲面基板上的集电体的照片，单个垫子的电阻为38Ω。G) 在曲面基底上打印的超级电容器阵列为桌面时钟供电21分钟的照片

一个 "最先进的"超级电容器

为了简化EDLC的生产并创造一个属于他们自己的生态友好型电池，EMPA团队转向了DIW 3D打印，他们用这种方法来制造两个“电池半成品”，然后再将它们折叠在一起。在实践中，这意味着首先打印单元的基底，然后在上面沉积其电极和导电石墨填充的电解质层，在这个过程中，经过一些调整，产生了一个功能性电池。

EMPA纤维素和木质材料实验室的XavierAeby说："这表面上听起来很简单，但事实上根本不是。它需要进行一系列的测试，直到所有的参数都是正确的，直到所有的部件都能从打印机中可靠地流出，电容器也能工作。此外，作为研究人员，我们不想只是形式上的摆弄，我们还想了解材料内部正在发生什么。"

在超级电容器原型制作完成后，科学家们试图通过将其充电到0.5V，然后测量其开放的表面电压来测试其电荷保留。据研究人员称，他们的设备在150小时后仍有30%的剩余电量，它的性能与当前最先进的碳基超级电容器站到了一个水平线上。

有趣的是，研究人员发现，他们的超级电容器的容量在制造后也波动了两周，然后稳定下来，而后来在储存了8个月后仍然保持功能，当他们完成实验并试图将其堆肥时，他们能够在9周内溶解其质量的50%左右。

在测试过程中，该团队的设备最终能够在机械压力下为一个3V的闹钟供电，并能在变化很大的温度下工作。因此，随着进一步的研发，他们说它可以在更大的范围内部署，为低电压的智能设备持续供电，例如那些用于环境监测、电子纺织品或医疗保健的应用。

△研究人员认为他们的3D打印超级电容器有可能在未来为其他低压设备供电。图片来自EMPA

打印的电池：准备好进入市场了吗？

虽然3D打印电池仍然处于相对早期的发展阶段，但有一些有希望的迹象表明，该技术正在朝着可用于最终用途的方向发展。重新命名的Sakuu公司以前被称为KeraCel，最近宣布计划在2022年推出其第一台固态电池（SSB）3D打印机，据说这款打印机生产的电池容量比目前的锂离子设备高得多。

在英国，3D打印机制造商Photocentric已经成立了一个内部电池研发部门，它正试图设计一种属于自己的新型节能存储设备。通过减少电池电极的尺寸和重量，该公司最终旨在开发一种更适合汽车应用的装置，据说它的目标是即将到来的特斯拉Giga工厂的创造。

在类似的领域当中，尽管更多的是实验性研究，但来自曼彻斯特大学的一个团队已经开发了一种3D打印的 "MXene "墨水，并使用它来生产超级电容器的原型。在测试过程中，科学家们说，他们的增材制造电极表现出了为未来的汽车或手机供电所需的高电容和能量密度。

研究人员的发现详见他们的论文，题为 " Fully 3D Printedand Disposable Paper Supercapacitors"，该论文由Xavier Aeby, Alexandre Poulin,Gilberto Siqueira, Michael K. Hausmann和Gustav Nyström共同撰写。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101328