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可回收的“蔬菜”电池可以更高效地为未来的设备供电

14 人参与  2021年09月24日 11:16  分类 : 技术工程  评论

Recyclable 'veggie' battery could power future devices more efficiently图形摘要。信用:能源杂志(2021)。DOI:10.1016/j . jpowsour . 2021.229625一种新型3D打印电池,它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、更大容量的电源。格拉斯哥大学领导的一个工程师团队开发了这种电池,试图使更多可持续的锂离子电池能够更有效地储存和输送电能。电池的设计和制造在《电源杂志》上发表的一篇论文中有所概述。

锂离子电池提供了重量轻、外形紧凑和经受多次充电和放电循环的能力的有用组合。这使得它们非常适用于各种设备,包括笔记本电脑、手机、智能手表和电动汽车。

像许多电池一样,锂离子电池包括正极和负极,正极通常由锂钴/锰氧化物或磷酸铁锂制成,负极通常由锂金属制成。在充电过程中,锂离子通过电解液从正极流到负极,并在负极储存起来。在使用过程中,离子以相反的方向流动,通过电化学反应产生能量为设备供电。

锂离子电池当前设计能够储存和释放的能量的物理限制之一是其电极的厚度。较厚的电极限制了锂离子在电极上的扩散,从而限制了锂离子电池的比能量。增加电极的厚度也会降低其应变耐受性,使其更容易开裂。一旦电极损坏,电池就会失效。

格拉斯哥领导的团队的电池旨在通过在电极设计中引入微小的纳米级和微米级孔(或称孔隙)来实现电极尺寸和表面积之间的更好平衡。通过使电极的表面和内部具有孔,与相同外部尺寸的固体电极相比,它们可以大大增加表面积。

为此,他们使用了一种附加制造技术,也称为3D打印,来严格控制电极中每个孔的大小和位置。

他们在他们的3D打印机上装载了一种他们开发的材料,这种材料结合了聚乳酸、磷酸铁锂和碳纳米管。聚乳酸是一种可生物降解的材料,由玉米、甘蔗和甜菜的淀粉加工而成,增加了电池的可回收性。

他们试验了制造100、200和300微米三种不同厚度的圆形电极。每个电极用不同的材料组合进行测试,通过在整个电极中引入严格控制的孔网格,将材料混合物中的碳纳米管的量从3重量%变化到10重量%,孔隙率从10重量%变化到70重量%。

该团队的孔隙率为70%的300微米电极电池在测试过程中表现最佳,比容量为每克151毫安-小时,即mAh/g——这是衡量电池电量的标准。这大约是相同厚度固体电极的传统锂离子电池性能的两到三倍。

最厚的300微米电极的孔隙率增加,从而表面积增大,也影响了电池的面积容量。较厚的电极能够存储4.4毫安时/平方厘米(或1.7毫安时/平方厘米),相比之下,100微米电极的容量为1.7毫安时/平方厘米,增益为158%。

这项研究是由格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的尚穆根·库马尔博士领导的,他的同事来自阿布扎比的哈利法科技大学,以及美国的德克萨斯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变得越来越普遍,随着我们向交通电气化和更可持续的世界迈进,它可能会继续变得越来越普遍。然而,锂离子电池也有其自身的可持续性问题,因此我们必须寻找新的方法来使它们变得更好、更环保。

“我们在这项研究中使用的3D打印过程为我们提供了对电极孔隙率的大量控制,使我们能够非常精确地设计一种新的超材料,能够解决当前一代锂离子电池的一些缺点。我们创造了一种具有高比容量和良好循环性能的电池。

“这些是有希望的初步结果,我们渴望继续探索这种微架构材料为未来消费者创造更好、更可回收的电池的可能性。”

该团队的论文题为“用于高性能锂离子电池的添加剂制造使能、微结构化、分级多孔聚乳酸/磷酸铁锂/碳纳米管纳米复合电极”,发表在《电源杂志》上。

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