3D打印新型鋰電池:為移動設備供應更環保、容量更大的電源

    鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年09月06日  

    3月22日報道,英國格拉斯哥大學(UOG)領導的團隊以植物淀粉和碳納米管為電極材料,用3D打印技術制造了一種新型鋰電池。這將為移動設備提供更環保、容量更大的電源。相關研究成果刊登在《電源雜志》中。


    鋰離子電池具有輕質、緊湊和循環性能較好等優點,非常適合用作筆記本電腦、移動電話、智能手表和電動汽車的電源。鋰離子電池包含鋰鈷、錳氧化物或磷酸鐵鋰制成的正極,以及金屬鋰構成的負極。在充電過程中,鋰離子通過電解液,從正極流向負極。在放電過程中,離子反方向流動,通過電化學反應產生能量,為設備提供動力。


    電極厚度是影響鋰離子電池儲存和釋放能量的主要物理因素之一。厚電極不僅會限制鋰離子在電極上的擴散效果,進而限制鋰離子電池的比能,還會降低電池的應變耐受性,使其更易因開裂而失效。


    UOG設計的電池旨在通過引入納米級微孔,在電極尺寸與電極表面積之間建立更好的平衡關系。與外部尺寸相等的固體電極相比,微孔電極的表面積得到顯著增加。為此,研究人員使用3D打印(即增材制造)技術,對電極上微孔的尺寸和位置進行了精確控制。3D打印的原料主要為聚乳酸、鋰-鐵磷酸鹽和碳納米管。其中,聚乳酸是由玉米淀粉、甘蔗淀粉、甜菜淀粉加工而成的可生物降解材料,它有效提高了電池的可回收性。


    研究人員測試了不同厚度(100、200和300微米)、不同材料組合(碳納米管含量3%~10%)不同微孔率(10%~70%)的圓形電極的性能。結果表明,300微米厚度、70%微孔率的電極性能最好,其比能為151mAh·g-1,大約是使用同等厚度固體電極的傳統鋰離子電池容量的2~3倍。這種優化方式也解決了電極厚度帶來的問題。相較于100微米厚的電極,300微米厚電極的儲電容量提高了158%。


    論文作者、項目負責人ShanmugamKumar博士說:“鋰離子電池已經在日常生活中占據了重要地位。隨著電氣化和可持續化發展的深入,其重要性還將繼續提升。然而,鋰離子電池自身的可持續性問題不容忽視。在這項研究中,我們使用3D打印工藝對電極的微孔率進行了精確控制,一定程度上彌補了現有鋰離子電池的缺陷。我們希望繼續探索這種微結構電極材料的潛在應用性,進而開發出性能更優越、更易回收的可循環鋰電池。”科學大觀園雜志

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