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科學(xué)家3D打印可生物降解電池以減少電子廢物

魔猴君  行業(yè)資訊   1094天前

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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),同時(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)行堆肥,有可能使其成為解決世界電子廢物問題的理想工具。

尋找可持續(xù)的EDLC

據(jù) EMPA 科學(xué)家稱,最近電子可穿戴設(shè)備、包裝和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的蓬勃發(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,許多此類產(chǎn)品最終將被填埋,從而加劇全球“電子垃圾”問題。

為了開發(fā)更環(huán)保的儲(chǔ)能設(shè)備,科學(xué)家們因此開始試驗(yàn)雙電層電容器或EDLC”。這些高容量、快速充電的超級(jí)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門處理服務(wù)的普通電池的理想替代品。盡管對(duì) EDLC 研發(fā)進(jìn)行了大量研究,但它們的不同部件(例如電極和集電器)可能難以通過單一制造工藝生產(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)且昂貴的組裝或后處理,這使得它們作為商業(yè)企業(yè)沒有吸引力。

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

“最先進(jìn)”的超級(jí)電容器

為了簡化 EDLC 生產(chǎn)并創(chuàng)建自己的環(huán)保電池,EMPA 團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了 DIW 3D 打印,他們用它來制造兩個(gè)半電池,然后將它們折疊在一起。在實(shí)踐中,這意味著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)層沉積在頂部,在此過程中經(jīng)過一些調(diào)整,產(chǎn)生了一個(gè)功能電池。“這聽起來很簡單,但事實(shí)并非如此,”EMPA 纖維素與木材材料實(shí)驗(yàn)室的 Xavier Aeby 說。 “它進(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:“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)生了什么?!?/span>

一旦他們的超級(jí)電容器原型準(zhǔn)備就緒,科學(xué)家們就試圖通過將其充電至 0.5 V 來測試其電荷保持能力,然后再測量其開放表面電壓。據(jù)研究人員稱,他們的設(shè)備在 150 小時(shí)后仍剩余 30% 的電量,使其性能“與最先進(jìn)的碳基超級(jí)電容器的性能保持一致”。有趣的是,研究人員發(fā)現(xiàn),他們的超級(jí)電容器的容量也在制造后兩周波動(dòng),然后穩(wěn)定下來,而在儲(chǔ)存八個(gè)月后仍保持功能,當(dāng)他們完成實(shí)驗(yàn)并嘗試堆肥時(shí),他們能夠溶解在九周的過程中,它的質(zhì)量約為其質(zhì)量的 50%。在測試過程中,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,通過進(jìn)一步的研發(fā),它可以在更廣泛的范圍內(nèi)進(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)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(jí)電容器未來有可能為其他低壓設(shè)備供電。照片來自 EMPA。

印刷電池:準(zhǔn)備上市了嗎?

雖然 3D 打印電池仍處于相對(duì)早期的發(fā)展階段,但有跡象表明該技術(shù)正朝著最終用途的方向發(fā)展。更名后的 Sakuu Corporation 以前稱為 KeraCel,最近宣布計(jì)劃在 2022 年推出其首款固態(tài)電池 (SSB) 3D 打印機(jī),據(jù)說其生產(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)建立了內(nèi)部電池研發(fā)部門,它正在嘗試設(shè)計(jì)一種自己的新型節(jié)能存儲(chǔ)設(shè)備。通過減小電池電極的尺寸和重量,該公司的最終目標(biāo)是開發(fā)一種更適合汽車應(yīng)用的裝置,據(jù)說它的目標(biāo)是即將推出的特斯拉 Giga 工廠。

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


來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/41162.html

   
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