格拉斯哥大学工程师开发出“蔬菜”电池 容量更高且更加环保

据国外媒体报道，格拉斯哥大学的研究人员一直在研究和开发更可持续的锂离子电池，以提高存储和电力传输的效率。最近，研究取得了成果，研究人员创造了一种新型的3D打印电池，可以使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、更高容量的电力。

锂离子电池轻便小巧，可以承受多次充放电循环，非常适合在笔记本电脑、手机、智能手表、电动汽车等多种设备上使用。和很多电池一样，锂离子电池的正极通常由锂钴/锰氧化物或磷酸亚铁锂制成，负极由锂金属制成。充电过程中，锂离子通过电解液从正极流向负极，并储存在负极中；在放电过程中，离子反向流动，通过电化学反应产生电能。

(来源:电源杂志)

然而，目前锂离子电池存储和释放电能的设计存在物理限制，其中之一是电极的厚度。较厚的电极会限制锂离子在电极上的扩散，从而限制其比能。电极厚度的增加也会降低其应变容限，变得更容易断裂。一旦电极断裂，电池将无法继续使用。

研究小组开发的电池可以通过引入微小的纳米级和微米级的孔或孔隙，使电极尺寸和表面积更加平衡。与相同外形尺寸的实心电极相比，通过在电极表面和内部钻细孔，可以大大增加表面积。为此，研究人员使用增材制造技术(也称为3D打印)来严格控制电极中每个孔的大小和位置。

研究人员还在3D打印机中添加了一种新开发的材料，该材料结合了聚乳酸、磷酸亚铁锂和碳纳米管。其中，聚乳酸是一种生物降解材料，由玉米、甘蔗、甜菜的淀粉制成，可以提高电池的可回收性。

研究人员分别制作了厚度为100、200和300微米的三种圆形电极，并用不同的材料组合测试了每种电极。通过在整个电极中引入严格控制的孔栅，碳纳米管在材料混合物中的比例可以从3%变化到10%，孔隙率可以从10%变化到70%。

团队研发的300微米电极电池孔隙率为70%，是测试过程中最好的。其比容量为每克151毫安时，是相同厚度固体电极的传统锂离子电池性能的2至3倍。300微米电极的表面积会随着孔隙率的增加而增加，从而影响电池的面积容量。与在100微米电极中获得的1.7 mAh cm-2(毫安/平方厘米)相比，更厚的电极可以存储4.4 mAh平方厘米，增益为158%。

这项研究由格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的Shanmugam Kumar博士领导，其他研究人员来自阿布扎比哈利法技术大学、德克萨斯A&M大学和亚利桑那州立大学。

库马尔博士说:“锂离子电池在日常生活中越来越普遍，随着交通的电气化和世界的可持续发展，它将变得更加普遍。但是，锂离子电池存在可持续性问题，因此必须找到新的方法来使锂离子电池更加环保。该研究中心使用的3D打印技术可以很好地控制电极的孔隙率，因此我们可以精确地开发出可以解决锂离子电池一些问题的超材料。基于该材料设计的电池具有较高的比容量和表面容量，并具有优异的循环性能。初步实验结果令人鼓舞。我们希望能够继续探索这种微观架构，找到更多的可能性，从而为未来制造更好的可回收电池。”据国外媒体报道，格拉斯哥大学的研究人员一直在研究和开发更可持续的锂离子电池，以提高存储和电力传输的效率。最近，研究取得了成果，研究人员创造了一种新型的3D打印电池，可以使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、更高容量的电力。

锂离子电池轻便小巧，可以承受多次充放电循环，非常适合在笔记本电脑、手机、智能手表、电动汽车等多种设备上使用。和很多电池一样，锂离子电池的正极通常由锂钴/锰氧化物或磷酸亚铁锂制成，负极由锂金属制成。充电过程中，锂离子通过电解液从正极流向负极，并储存在负极中；在放电过程中，离子反向流动，通过电化学反应产生电能。

(来源:电源杂志)

然而，目前锂离子电池存储和释放电能的设计存在物理限制，其中之一是电极的厚度。较厚的电极会限制锂离子在电极上的扩散，从而限制其比能。电极厚度的增加也会降低其应变容限，变得更容易断裂。一旦电极断裂，电池将无法继续使用。

研究小组开发的电池可以通过引入微小的纳米级和微米级的孔或孔隙，使电极尺寸和表面积更加平衡。与相同外形尺寸的实心电极相比，通过在电极表面和内部钻细孔，可以大大增加表面积。为此，研究人员使用增材制造技术(也称为3D打印)来严格控制电极中每个孔的大小和位置。

研究人员还在3D打印机中添加了一种新开发的材料，该材料结合了聚乳酸、磷酸亚铁锂和碳纳米管。其中，聚乳酸是一种生物降解材料，由玉米、甘蔗、甜菜的淀粉制成，可以提高电池的可回收性。

研究人员分别制作了厚度为100、200和300微米的三种圆形电极，并用不同的材料组合测试了每种电极。通过在整个电极中引入严格控制的孔栅，碳纳米管在材料混合物中的比例可以从3%变化到10%，孔隙率可以从10%变化到70%。

团队研发的300微米电极电池孔隙率为70%，是测试过程中最好的。其比容量为每克151毫安时，是相同厚度固体电极的传统锂离子电池性能的2至3倍。300微米电极的表面积会随着孔隙率的增加而增加，从而影响电池的面积容量。与在100微米电极中获得的1.7 mAh cm-2(毫安/平方厘米)相比，更厚的电极可以存储4.4 mAh平方厘米，增益为158%。

这项研究由格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的Shanmugam Kumar博士领导，其他研究人员来自阿布扎比哈利法技术大学、德克萨斯A&M大学和亚利桑那州立大学。

库马尔博士说:“锂离子电池在日常生活中越来越普遍，随着交通的电气化和世界的可持续发展，它将变得更加普遍。但是，锂离子电池存在可持续性问题，因此必须找到新的方法来使锂离子电池更加环保。该研究中心使用的3D打印技术可以很好地控制电极的孔隙率，因此我们可以精确地开发出可以解决锂离子电池一些问题的超材料。基于该材料设计的电池具有较高的比容量和表面容量，并具有优异的循环性能。初步实验结果令人鼓舞。我们希望能够继续探索这种微观架构，找到更多的可能性，从而为未来制造更好的可回收电池。”

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