2021-03-26
 
可回收的“素食”电池可以更高效地为未来的设备供电
2021年03月26日   阅读量:1426

使用植物淀粉和碳纳米管制成的电极的新型3D打印电池可以为移动设备提供更环保,更高容量的动力源。


格拉斯哥大学领导的一组工程师开发了这种电池,目的是制造出更具可持续性的锂离子电池,从而能够更有效地存储和输送电能。在《电源》杂志上发表的一篇论文中概述了电池的设计和制造中国机械网okmao.com


锂离子电池提供了轻巧,紧凑的外形尺寸以及承受多次充电和放电循环的能力的有用组合。因此,它们非常适合在多种设备中使用,包括笔记本电脑,移动电话,智能手表和电动汽车。


象许多电池,锂离子电池包括正电极,通常从钴酸锂/锰氧化物或由磷酸铁锂,和一个负电极,通常由锂金属制成。在充电过程中,锂离子通过电解质从正极流向负极,并在负极中储存。在使用过程中,离子以相反的方向流动,通过电化学反应为能量产生能量。


锂离子电池可存储和释放的能量电流设计的物理限制之一是其电极的厚度。较厚的电极会限制锂离子在电极上的扩散,从而限制锂离子电池的比能。电极厚度的增加也会降低其应变容差,从而使其更易于破裂。一旦电极破裂,电池将变得无用。


由格拉斯哥领导的小组的电池旨在通过在设计中引入微小的纳米级和微米级孔或细孔,在电极的尺寸和表面积之间取得更好的平衡。与具有相同外部尺寸的固体电极相比,通过在电极的表面和内部打上细孔,它们可以大大增加表面积。


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为此,他们使用了增材制造技术(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打印机中加载了他们开发的材料,该材料结合了聚乳酸,磷酸铁锂和碳纳米管。的聚乳酸是一种可生物降解的材料从玉米,甘蔗,和糖用甜菜的淀粉加工,增加了电池的可回收性。


他们进行了实验,制作了三种厚度分别为100、200和300微米的圆形电极。通过使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,将材料混合物中碳纳米管的数量从3%更改为10%重量,将孔隙率从10%更改为70%。


该团队的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151毫安小时每克或mAh / g,这是电池可容纳多少电量的标准度量。这是具有相同厚度的固体电极的传统锂离子电池性能的约2到3倍。


最厚的300微米电极的孔隙率增加,进而导致更大的表面积,也影响了电池的面容量。与在100微米电极中获得的1.7 mAh cm -2相比,较厚的电极能够存储每平方厘米4.4毫安小时(或mAh cm -2),增益为158%。


这项研究由格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Shanmugam Kumar博士以及阿布扎比哈里发科技大学,德州农工大学和美国亚利桑那州立大学的同事领导。


库马尔博士说:“锂离子电池在日常生活中越来越普遍,并且随着我们朝着交通运输的电气化和世界可持续发展的方向发展,无处不在的可能性将继续增加。但是,锂离子电池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,这一点很重要。


“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显着控制,使我们能够非常精确地设计出一种能够解决当前锂离子电池某些缺点的新型超材料。。我们创建了具有高比容量和面容量且具有出色循环性能的电池。


“这些都是令人鼓舞的初步结果,我们渴望继续探索这种微体系结构材料为未来的消费者制造更好,更具可回收性的电池所提供的可能性。”


该小组的论文标题为“用于高性能锂离子电池的能够进行增材制造,微体系结构,分层多孔的聚乳酸/磷酸铁锂/碳纳米管纳米复合电极”。


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