科学家3D打印可生物降解电池以减少电子废物

中国3D打印网10月25日讯，全3D打印电池由柔性纤维素和甘油基材组成，并用导电碳和石墨墨水图案化，能够承受数千次充电循环，同时保持其容量。由于其可生物降解的基础，这种新型电池在完成后也可以进行堆肥，有可能使其成为解决世界电子废物问题的理想工具。
寻找可持续的“EDLC”
据 EMPA 科学家称，最近电子可穿戴设备、包装和物联网 (IoT) 应用的蓬勃发展使这些设备的全球数量增加到 270 亿。然而，鉴于它们的生命周期短，而且它们往往由不可再生的锂离子或碱性电池供电，许多此类产品最终将被填埋，从而加剧全球“电子垃圾”问题。
为了开发更环保的储能设备，科学家们因此开始试验双电层电容器或“EDLC”。这些高容量、快速充电的超级电容器至少可以部分由可生物降解的材料制成，可能使它们成为通常需要专门处理服务的普通电池的理想替代品。尽管对 EDLC 研发进行了大量研究，但它们的不同部件（例如电极和集电器）可能难以通过单一制造工艺生产。更重要的是，许多原型 EDLC 最多是部分 3D 打印的，需要耗时且昂贵的组装或后处理，这使得它们作为商业企业没有吸引力。

EMPA 研究人员的电池 DIW 3D 打印方法。图片来自《先进材料》杂志。

“最先进”的超级电容器
为了简化 EDLC 生产并创建自己的环保电池，EMPA 团队转向了 DIW 3D 打印，他们用它来制造两个半电池，然后将它们折叠在一起。在实践中，这意味着首先打印该单元的基板，然后将其电极和导电石墨注入电解质层沉积在顶部，在此过程中经过一些调整，产生了一个功能电池。“这听起来很简单，但事实并非如此，”EMPA 纤维素与木材材料实验室的 Xavier Aeby 说。 “它进行了一系列扩展测试，直到所有参数都正确为止，直到所有组件都可靠地从打印机流出并且电容器工作。”他补充说：“作为研究人员，我们不想只是摆弄，我们还想了解我们的材料内部发生了什么。”
一旦他们的超级电容器原型准备就绪，科学家们就试图通过将其充电至 0.5 V 来测试其电荷保持能力，然后再测量其开放表面电压。据研究人员称，他们的设备在 150 小时后仍剩余 30% 的电量，使其性能“与最先进的碳基超级电容器的性能保持一致”。有趣的是，研究人员发现，他们的超级电容器的容量也在制造后两周波动，然后稳定下来，而在储存八个月后仍保持功能，当他们完成实验并尝试堆肥时，他们能够溶解在九周的过程中，它的质量约为其质量的 50%。在测试过程中，该团队的设备最终能够在机械压力下为 3V 闹钟供电，并在变化很大的温度下运行。因此，他们表示，通过进一步的研发，它可以在更广泛的范围内进行部署，以可持续地为低压智能设备供电，例如用于环境监测、电子纺织品或医疗保健应用中的设备。

研究人员认为，他们的 3D 打印超级电容器未来有可能为其他低压设备供电。照片来自 EMPA。
印刷电池：准备上市了吗？

虽然 3D 打印电池仍处于相对早期的发展阶段，但有迹象表明该技术正朝着最终用途的方向发展。更名后的 Sakuu Corporation 以前称为 KeraCel，最近宣布计划在 2022 年推出其首款固态电池 (SSB) 3D 打印机，据说其生产的电池容量远高于当前的锂离子设备。

在英国，3D 打印机制造商 Photocentric 已经建立了内部电池研发部门，它正在尝试设计一种自己的新型节能存储设备。通过减小电池电极的尺寸和重量，该公司的最终目标是开发一种更适合汽车应用的装置，据说它的目标是即将推出的特斯拉 Giga 工厂。

在类似的但更多的实验研究中，曼彻斯特大学的一个团队开发了一种 3D 可打印的“MXene”墨水，并用它来生产原型超级电容器。 在测试期间，科学家们表示，他们的增材制造电极展示了为未来的汽车或手机供电所需的高电容和能量密度。

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