全3D打印電池由柔性纖維素和甘油基材組成，并用導(dǎo)電碳和石墨墨水圖案化，能夠承受數(shù)千次充電循環(huán)(huán)，同時(shí)(shí)保持其容量。由于其可生物降解的基礎(chǔ)，這種新型電池在完成后也可以進(jìn)(jìn)行堆肥，有可能使其成為解決世界電子廢物問(wèn)題的理想工具。

尋找可持續(xù)的“EDLC”

據(jù) EMPA 科學(xué)(xué)家稱(chēng)，最近電子可穿戴設(shè)備、包裝和物聯(lián)(lián)網(wǎng)(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的蓬勃發(fā)(fā)展使這些設(shè)備的全球數(shù)量增加到 270 億。然而，鑒于它們的生命周期短，而且它們往往由不可再生的鋰離子或堿性電池供電，許多此類(lèi)產(chǎn)(chǎn)品最終將被填埋，從而加劇全球“電子垃圾”問(wèn)題。

為了開(kāi)發(fā)(fā)更環(huán)(huán)保的儲能設(shè)備，科學(xué)(xué)家們因此開(kāi)始試驗(yàn)雙電層電容器或“EDLC”。這些高容量、快速充電的超級電容器至少可以部分由可生物降解的材料制成，可能使它們成為通常需要專(zhuān)門(mén)處理服務(wù)(wù)的普通電池的理想替代品。盡管對 EDLC 研發(fā)(fā)進(jìn)(jìn)行了大量研究，但它們的不同部件（例如電極和集電器）可能難以通過(guò)單一制造工藝生產(chǎn)(chǎn)。更重要的是，許多原型 EDLC 最多是部分 3D 打印的，需要耗時(shí)(shí)且昂貴的組裝或后處理，這使得它們作為商業(yè)(yè)企業(yè)(yè)沒(méi)有吸引力。

EMPA 研究人員的電池 DIW 3D 打印方法。圖片來(lái)自《先進(jìn)(jìn)材料》雜志。

“最先進(jìn)(jìn)”的超級電容器

為了簡(jiǎn)化 EDLC 生產(chǎn)(chǎn)并創(chuàng )(chuàng)建自己的環(huán)(huán)保電池，EMPA 團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了 DIW 3D 打印，他們用它來(lái)制造兩個(gè)(gè)半電池，然后將它們折疊在一起。在實(shí)(shí)踐中，這意味著(zhù)首先打印該單元的基板，然后將其電極和導(dǎo)電石墨注入電解質(zhì)(zhì)層沉積在頂部，在此過(guò)程中經(jīng)(jīng)過(guò)一些調(diào)整，產(chǎn)(chǎn)生了一個(gè)(gè)功能電池?！斑@聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但事實(shí)(shí)并非如此，”EMPA 纖維素與木材材料實(shí)(shí)驗(yàn)室的 Xavier Aeby 說(shuō)。 “它進(jìn)(jìn)行了一系列擴(kuò)展測試，直到所有參數(shù)都正確為止，直到所有組件都可靠地從打印機(jī)流出并且電容器工作?！彼a(bǔ)充說(shuō)：“作為研究人員，我們不想只是擺弄，我們還想了解我們的材料內(nèi)部發(fā)(fā)生了什么?！?/span>

一旦他們的超級電容器原型準(zhǔn)備就緒，科學(xué)(xué)家們就試圖通過(guò)將其充電至 0.5 V 來(lái)測試其電荷保持能力，然后再測量其開(kāi)放表面電壓。據(jù)研究人員稱(chēng)，他們的設(shè)備在 150 小時(shí)(shí)后仍剩余 30% 的電量，使其性能“與最先進(jìn)(jìn)的碳基超級電容器的性能保持一致”。有趣的是，研究人員發(fā)(fā)現(xiàn)，他們的超級電容器的容量也在制造后兩周波動(dòng)(dòng)，然后穩(wěn)定下來(lái)，而在儲存八個(gè)(gè)月后仍保持功能，當(dāng)他們完成實(shí)(shí)驗(yàn)并嘗試堆肥時(shí)(shí)，他們能夠溶解在九周的過(guò)程中，它的質(zhì)(zhì)量約為其質(zhì)(zhì)量的 50%。在測試過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)的設(shè)備最終能夠在機(jī)械壓力下為 3V 鬧鐘供電，并在變化很大的溫度下運(yùn)行。因此，他們表示，通過(guò)進(jìn)(jìn)一步的研發(fā)(fā)，它可以在更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)(jìn)行部署，以可持續(xù)地為低壓智能設(shè)備供電，例如用于環(huán)(huán)境監(jiān)測、電子紡織品或醫(yī)療保健應(yīng)用中的設(shè)備。

研究人員認(rèn)為，他們的 3D 打印超級電容器未來(lái)有可能為其他低壓設(shè)備供電。照片來(lái)自 EMPA。

印刷電池：準(zhǔn)備上市了嗎？

雖然 3D 打印電池仍處于相對早期的發(fā)(fā)展階段，但有跡象表明該技術(shù)(shù)正朝著(zhù)最終用途的方向發(fā)(fā)展。更名后的 Sakuu Corporation 以前稱(chēng)為 KeraCel，最近宣布計(jì)劃在 2022 年推出其首款固態(tài)(tài)電池 (SSB) 3D 打印機(jī)，據(jù)說(shuō)其生產(chǎn)(chǎn)的電池容量遠(yuǎn)高于當(dāng)前的鋰離子設(shè)備。

在英國，3D 打印機(jī)制造商 Photocentric 已經(jīng)(jīng)建立了內(nèi)部電池研發(fā)(fā)部門(mén)，它正在嘗試設(shè)計(jì)一種自己的新型節(jié)能存儲設(shè)備。通過(guò)減小電池電極的尺寸和重量，該公司的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)(fā)一種更適合汽車(chē)應(yīng)用的裝置，據(jù)說(shuō)它的目標(biāo)是即將推出的特斯拉 Giga 工廠(chǎng)。

在類(lèi)似的但更多的實(shí)(shí)驗(yàn)研究中，曼徹斯特大學(xué)(xué)的一個(gè)(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)(fā)了一種 3D 可打印的“MXene”墨水，并用它來(lái)生產(chǎn)(chǎn)原型超級電容器。 在測試期間，科學(xué)(xué)家們表示，他們的增材制造電極展示了為未來(lái)的汽車(chē)或手機(jī)供電所需的高電容和能量密度。

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