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3D資訊
首頁(yè) > 資訊中心青島3D打印生物可降解電池，有望減少電子垃圾
發(fā)布時(shí)間：2021-09-22
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瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 (EMPA) 的研究人員已使用 3D 打印制造出一種可持續(xù)的新型超級(jí)電容器。
全3D打印電池由柔性纖維素和甘油基板組成，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(wèn)題的理想工具。
尋找可持續(xù)的“EDLC”
據(jù) EMPA 科學(xué)家稱(chēng)，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(lèi)產(chǎn)品最終將被填埋，從而加劇全球“電子垃圾”問(wèn)題。
為了開(kāi)發(fā)更環(huán)保的儲(chǔ)能設(shè)備，科學(xué)家們因此開(kāi)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(zhuān)門(mén)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(guò)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(méi)有吸引力。
EMPA 研究人員的電池 DIW 3D 打印方法
“最先進(jìn)”的超級(jí)電容器
為了簡(jiǎn)化 EDLC 的生產(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(lái)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，然后將其電極和注入石墨的導(dǎo)電電解質(zhì)層沉積在頂部，在此過(guò)程中經(jīng)過(guò)一些調(diào)整，產(chǎn)生了一個(gè)功能性電池。
“這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)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(shuō)。 “它進(jìn)行了一系列擴(kuò)展測(cè)試，直到所有參數(shù)都正確為止，直到所有組件可靠地從打印機(jī)流出并且電容器工作?！彼a(bǔ)充說(shuō)：“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。”
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(guò)將其充電至 0.5 V 來(lái)測(cè)試其電荷保持能力，然后再測(cè)量其開(kāi)放表面電壓。據(jù)研究人員稱(chēng)，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)電容器的容量在制造后的兩周內(nèi)也有波動(dòng)，然后沉淀下來(lái)，而之后在存儲(chǔ)8個(gè)月后仍然保持功能，當(dāng)他們完成實(shí)驗(yàn)并試圖將其堆肥時(shí)，在九周的時(shí)間里，他們能夠溶解大約50%的物質(zhì)。
在測(cè)試過(guò)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(guò)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(cè)、電子紡織品或醫(yī)療保健應(yīng)用中的設(shè)備。
全3D打印電池由柔性纖維素和甘油基板組成，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(wèn)題的理想工具。
尋找可持續(xù)的“EDLC”
據(jù) EMPA 科學(xué)家稱(chēng)，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(lèi)產(chǎn)品最終將被填埋，從而加劇全球“電子垃圾”問(wèn)題。
為了開(kāi)發(fā)更環(huán)保的儲(chǔ)能設(shè)備，科學(xué)家們因此開(kāi)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(zhuān)門(mén)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(guò)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(méi)有吸引力。
EMPA 研究人員的電池 DIW 3D 打印方法
“最先進(jìn)”的超級(jí)電容器
為了簡(jiǎn)化 EDLC 的生產(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(lái)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，然后將其電極和注入石墨的導(dǎo)電電解質(zhì)層沉積在頂部，在此過(guò)程中經(jīng)過(guò)一些調(diào)整，產(chǎn)生了一個(gè)功能性電池。
“這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)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(shuō)。 “它進(jìn)行了一系列擴(kuò)展測(cè)試，直到所有參數(shù)都正確為止，直到所有組件可靠地從打印機(jī)流出并且電容器工作?！彼a(bǔ)充說(shuō)：“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。”
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(guò)將其充電至 0.5 V 來(lái)測(cè)試其電荷保持能力，然后再測(cè)量其開(kāi)放表面電壓。據(jù)研究人員稱(chēng)，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)電容器的容量在制造后的兩周內(nèi)也有波動(dòng)，然后沉淀下來(lái)，而之后在存儲(chǔ)8個(gè)月后仍然保持功能，當(dāng)他們完成實(shí)驗(yàn)并試圖將其堆肥時(shí)，在九周的時(shí)間里，他們能夠溶解大約50%的物質(zhì)。
在測(cè)試過(guò)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(guò)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(cè)、電子紡織品或醫(yī)療保健應(yīng)用中的設(shè)備。