科学家利用植物淀粉和碳纳米管进行3D打印成电极 可制成更环保、更高容量的锂电池

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一种新型的三维印刷电池,利用植物淀粉和碳纳米管制成的电极,可以为移动设备提供更环保、更高容量的电源。


格拉斯哥大学的一个工程师团队开发了这种电池,以使锂离子电池更可持续,能够更有效地存储和输送电力。电池的设计和制造在《电源杂志》上发表的一篇论文中作了概述。

科学家利用植物淀粉和碳纳米管进行3D打印成电极 可制成更环保、更高容量的锂电池

锂离子电池提供了一个有用的组合,重量轻,紧凑的形式因素和能力,承受许多周期的充电和放电。这使得它们非常适合于广泛的设备,包括笔记本电脑、手机、智能手表和电动汽车。


与许多电池一样,锂离子电池包括一个正极,通常由锂钴/锰氧化物或磷酸铁锂制成,负极通常由锂金属制成。充电期间,锂离子从正极流过电解质,流向负极,在那里储存锂离子。在使用过程中,离子流向相反的方向,通过电化学反应向电源装置发电。


锂离子电池的储能和释放能量电流设计的物理限制之一是电极的厚度。较厚的电极限制了锂离子在电极上的扩散,从而限制了锂离子电池的比能量。增加电极厚度也会降低其应变耐受性,使其更容易开裂。一旦电极断开,电池就没用了。

科学家利用植物淀粉和碳纳米管进行3D打印成电极 可制成更环保、更高容量的锂电池

格拉斯哥led团队的电池旨在通过在设计中引入微小的纳米和微尺度的孔或孔隙,在电极的尺寸和表面积之间达成更好的平衡。通过去除带有孔的电极表面和内部,与具有相同外部尺寸的实心电极相比,它们可以大大增加电极的表面积。


为此,他们使用了一种添加剂制造技术,也就是3D打印,来严格控制电极中每个孔的大小和位置。


他们用他们开发的材料将聚乳酸、磷酸锂和碳纳米管结合起来,装载了他们的3D打印机。聚乳酸是一种可生物降解的材料,由玉米、甘蔗和甜菜淀粉加工而成,提高了电池的可回收性。


他们实验在三种不同厚度的100,200和300微米的圆电极。用不同材料组合测试每个电极,将材料混合物中碳纳米管的数量按重量的3%变为10%,通过在整个电极上引入严格控制的孔栅,使其孔隙率从10%变为70%。


该团队的300微米电极电池,其70%的孔隙率在测试期间表现最好,其比容量为151毫安每克,或毫安/克——电池能容纳多少电量的标准测量值。这是传统锂离子电池性能的2-3倍,其固体电极厚度相同。


300微米电极的孔隙率增加,从而增大了比表面积,也影响了电池的面积容量。较厚的电极能够存储4.4毫安每平方厘米(或毫安欧厘米−2),而100微米电极中的1.7毫安厘米-2则增加158%。


这项研究由格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的ShanmugamKumar博士以及阿布扎比的哈利法科技大学、德克萨斯A&M大学和美国亚利桑那州立大学的同事一起领导。。


Kumar博士说:“锂离子电池在日常生活中越来越普遍,随着我们向更大的交通电气化和更可持续的世界迈进,锂离子电池的普及率可能会继续增加。然而,锂离子电池有自己的可持续性问题,因此,我们必须寻找新的方法,使其更好、更环保。


“我们在本研究中使用的3D打印工艺,让我们对电极孔隙率进行了显著的控制,使我们能够精确地设计出一种能够解决当前锂离子电池某些缺点的新型超材料。我们已经创造了一个高比容量和面积容量的电池,具有极好的循环性。


“这些都是有希望的初步成果,我们热切希望继续探索这种微缩材料为未来消费者创造更好、更可回收的电池的可能性。”


该研究小组的论文名为“用于高性能锂离子电池的添加剂制造、微结构、分层多孔聚乳酸/磷酸铁锂/碳纳米管纳米复合电极”,发表在《电源杂志》上。



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