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科学家3D打印生物可降解电池,有望减少电子垃圾

研究人员瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)已经使用3D打印创造了一种可持续的新型超级电容器。

这种全3d打印的电池由柔韧的纤维素和甘油基板组成,上面有导电碳和载石墨的墨水,能够承受数千次充电循环,同时保持其容量。由于其生物可降解的基底,这种新型电池一旦完成,也可以进行堆肥,可能使其成为解决世界电子垃圾问题的理想工具。

寻找可持续的“EDLC”

EMPA的科学家们表示,随着电子可穿戴设备、包装和物联网(IoT)应用的蓬勃发展,全球这些设备的数量已增至270亿。然而,考虑到它们的生命周期很短,而且它们往往是由不可再生的锂离子或碱性电池驱动的,许多这类产品最终将被填埋,加剧全球“电子垃圾”问题。

为了开发更环保的储能设备,科学家们已经开始试验电双层电容器(edlc)。“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材料制成,这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EDLC的研发已经进行了大量的研究,但它们的不同部分,如电极和电流收集器,可能很难通过单一的制造工艺生产。更重要的是,许多原型edlc都是部分3d打印的,这就需要花费时间和昂贵的组装或后处理,这使得它们作为商业企业没有吸引力。

EMPA研究人员的电池DIW 3D打印方法。
EMPA研究人员的电池DIW 3D打印方法。图像通过先进材料杂志。

“先进的”超级电容器

为了简化EDLC的生产,并创造自己的环保电池,EMPA团队转向DIW 3D打印,他们使用DIW 3D打印来制造两个半电池,然后将它们折叠在一起。在实际操作中,这意味着首先打印单元的基底,然后在其顶部沉积电极和导电石墨浸渍电解质层,经过一些调整后,就得到了一个功能电池。

“这听起来很简单,但事实并非如此,”EMPA纤维素与木材材料实验室的Xavier Aeby说。“我们进行了一系列的测试,直到所有参数都正确,直到所有组件从打印机和电容器可靠地流动。”他补充说,“作为研究人员,我们不想只是瞎弄,我们还想了解材料内部发生了什么。”

一旦他们的超级电容器原型准备好了,科学家们试图在测量其开放表面电压之前,通过将其充电至0.5 V来测试其电荷保持能力。据研究人员称,他们的设备在150小时后仍有30%的电量剩余,使其性能“与最先进的碳基超级电容器一致”。

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的两周内也有波动,然后沉淀下来,而之后在存储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,在九周的时间里,他们能够溶解大约50%的物质。

在测试过程中,该团队的设备最终能够在机械压力下为3V闹钟供电,并能在剧烈变化的温度下工作。他们说,随着进一步的研发,这种技术可以在更大的范围内部署,为环境监测、电子纺织品或医疗保健应用中使用的低压智能设备提供可持续的电力。

EMPA研究人员的3D打印超级电容器。
研究人员相信,他们的3D打印超级电容器有潜力在未来为其他低压设备供电。通过电子探针的照片。

打印电池:准备上市了吗?

虽然3D打印电池仍处于相对早期的发展阶段,但有迹象表明,这项技术正朝着最终用途的方向发展。之前被称为KeraCel,更名后Sakuu公司最近有没有宣布计划推出第一个固态电池3D打印机据说,这种电池的容量比目前的锂离子电池高得多。

在英国,3D打印机制造商Photocentric建立了一个内部电池研发部该公司正试图设计一种自己的新型节能存储设备。通过减小电池电极的尺寸和重量,该公司最终的目标是开发出一种更适合汽车应用的装置,据说它的目标是未来的汽车特斯拉Giga工厂的创造。

在类似的,尽管更多的实验研究中曼彻斯特大学已经开发出一种3D打印“MXene”墨水,并用它来生产超级电容器的原型。在测试中,科学家们表示,他们的添加剂制造的电极证明了为未来的汽车或手机提供动力所需的高电容和能量密度。

研究人员的研究结果详细发表在题为《全3D打印和一次性纸超级电容器作者包括泽维尔·埃比(Xavier Aeby)、亚历山大·波林(Alexandre Poulin)、吉尔伯托·西奎拉(Gilberto Siqueira)、迈克尔·k·豪斯曼(Michael K. Hausmann)和古斯塔夫Nyström。

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特色图片展示了EMPA研究人员的3D打印超级电容器。通过电子探针的照片。

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