格拉斯哥大学工程师开发出“蔬菜”电池

据外媒报道，格拉斯哥大学的研究人员一直在研究开发更具可持续性的锂离子电池，以提高存储和电能输送的效率。最近，研究取得成果，研究人员制造出一种新型3D打印电池，可使用由植物淀粉制成的电极以及碳纳米管，可为移动设备提供更环保、容量更高的电源。

锂离子电池轻巧、结构紧凑，且可承受多次充放电循环，非常适合在多种设备中使用，包括笔记本电脑、手机、智能手表和电动汽车。像众多电池一样，锂离子电池正极通常由锂钴/锰氧化物或磷酸铁锂制成，而负极由锂金属制成。在充电过程中，锂离子通过电解质从正极流向负极，并储存于负极中；放电过程中，离子又以相反的方向流动，通过电化学反应产生电能。

但锂离子电池存储和释放电能的电流设计存在物理限制，其中之一就是电极的厚度。较厚的电极会限制锂离子在电极上的扩散，从而限制其比能量。电极厚度增加还会降低其应变容差，变得更易于破裂。一旦电极破裂，电池将无法继续使用。

该研究小组研发的电池通过引入微小的纳米级和微尺度孔或细孔，可使电极尺寸和表面积更平衡。与外部尺寸相同的固体电极相比，通过在电极表面和内部打细孔可大大增加表面积。为此，研究人员使用了增材制造技术（也称为3D打印），严格控制电极中每个孔的大小和位置。

研究人员还在3D打印机中添加了新开发的结合聚乳酸、磷酸铁锂和碳纳米管的材料，其中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，可提高电池的可回收性。

研究人员制作出厚度分别为100、200和300微米的三种圆形电极，并采用不同的材料组合测试每个电极。通过在整个电极中引入严格控制的孔网格，可将材料混合物中碳纳米管占比从3％变为10％，将孔隙率从10％变为70％。

该团队开发的300微米电极电池具有70％的孔隙率，在测试过程中表现最佳，其比容量为每克151毫安培小时，是具有相同厚度固体电极的传统锂离子电池性能的2到3倍。300微米电极的表面积会随孔隙率增加而增大，从而影响电池的面容量。与在100微米电极中获得的1.7 mAh cm-2（毫安每平方厘米）相比，较厚电极每平方厘米能够存储4.4毫安小时，增益为158％。

这项研究由格拉斯哥大学James Watt工程学院的Shanmugam Kumar博士领导，其它研究人员分别来自阿布扎比哈里发科技大学、德克萨斯A＆M大学和美国亚利桑那州立大学。

Kumar博士表示：“锂离子电池在日常生活中越来越普遍，并且随着交通运输电气化和世界可持续的不断发展，它会变得更加普遍。但是，锂离子电池存在可持续性问题，因此必须寻找到新的方法使锂离子电池变得更加环保。此项研究中心使用的3D打印技术可以很好地控制电极孔隙率，因此我们可以精确开发出能解决当前锂离子电池部分问题的超材料。基于这种材料设计出的电池具有高比容量和面容量，且具有出色的循环性能。初步实验结果令人鼓舞。我们希望可以不断探索这种微体系结构，发现更多可能性，从而为未来制造出更好的可回收电池。”