科學(xué)家3D打印可生物降解的一次性紙質(zhì)電池,，有望減少電子垃圾

導(dǎo)讀：一直以來，電子材料報(bào)廢后的無公害處理都是困擾科學(xué)家的一大難題,，這是由于像電池中所包含的各種稀有金屬一旦流入自然界會(huì)對周邊環(huán)境造成不可逆的破壞,。這種電子廢物帶來污染事實(shí)上遠(yuǎn)比石油能源污染更大，如果不能有效解決電子垃圾問題,，那長期以來倡導(dǎo)的“新能源”恐怕未來會(huì)面臨著更大的挑戰(zhàn),。那么有沒有無污染或者容易降解的電池材料呢？

2021年10月22日,，南極熊獲悉,，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（EMPA）的研究人員已經(jīng)使用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一種環(huán)保可持續(xù)的新型超級(jí)電容器,。

這種完全3D打印的電池由靈活的纖維素和甘油基底組成,，用導(dǎo)電的碳和含石墨的墨水繪制圖案，能夠承受成千上萬次的充電循環(huán),，同時(shí)保持其容量,。由于可生物降解的基底，這種新型電池在使用完畢后還可以被堆肥,，有可能使其成為解決世界電子廢物問題的理想工具,。

尋找一個(gè)可持續(xù)的 "EDLC"

EMPA的科學(xué)家聲稱，隨著最近電子可穿戴設(shè)備,、包裝和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的蓬勃發(fā)展,，它們的全球總量上升到270億。然而,，鑒于這些設(shè)備的生命周期很短,，而且它們往往由不可再生的鋰離子或堿性電池供電，許多此類產(chǎn)品最終將被填埋,，使全球電子垃圾問題加劇惡化,。

因此，為了致力于開發(fā)更多的生態(tài)友好型能源儲(chǔ)存設(shè)備,，科學(xué)家們已經(jīng)開始試驗(yàn)電雙層電容器,，或"EDLCs"。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造,，有可能使它們成為普通電池的理想替代品，而普通電池通常需要專門的處理服務(wù),。

盡管在EDLC的研發(fā)中已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,，但它各個(gè)不同的部分，如電極和集電器，可能很難通過單一的制造工藝來生產(chǎn),。更重要的是,，許多EDLC原型最多只是部分3D打印，需要耗費(fèi)時(shí)間和昂貴的組裝或后期處理,，這使得它們作為商業(yè)投資沒有吸引力,。

△EMPA研究人員的電池DIW 3D打印方法。圖片來自《先進(jìn)材料》雜志,。

△G-H）3D打印的高導(dǎo)電性橋接支架的圖片（光學(xué)圖片和SEM圖像）,；I）從上到下：10、5,、2.5mm高寬比

△A）打印電解質(zhì)層之前的打印品照片,，包括用集電油墨獲得的電接觸的放大圖；B）折疊后的一次性裝置的照片,。

△E）一次性紙質(zhì)超級(jí)電容器的打印設(shè)計(jì)示意圖,。F) 印刷在曲面基板上的集電體的照片，單個(gè)墊子的電阻為38Ω,。G) 在曲面基底上打印的超級(jí)電容器陣列為桌面時(shí)鐘供電21分鐘的照片

一個(gè) "最先進(jìn)的"超級(jí)電容器

為了簡化EDLC的生產(chǎn)并創(chuàng)造一個(gè)屬于他們自己的生態(tài)友好型電池,，EMPA團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了DIW 3D打印，他們用這種方法來制造兩個(gè)“電池半成品”,，然后再將它們折疊在一起,。在實(shí)踐中，這意味著首先打印單元的基底,，然后在上面沉積其電極和導(dǎo)電石墨填充的電解質(zhì)層,，在這個(gè)過程中，經(jīng)過一些調(diào)整,，產(chǎn)生了一個(gè)功能性電池,。

EMPA纖維素和木質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)室的XavierAeby說："這表面上聽起來很簡單，但事實(shí)上根本不是,。它需要進(jìn)行一系列的測試,，直到所有的參數(shù)都是正確的，直到所有的部件都能從打印機(jī)中可靠地流出,，電容器也能工作,。此外，作為研究人員,，我們不想只是形式上的擺弄,，我們還想了解材料內(nèi)部正在發(fā)生什么。"

在超級(jí)電容器原型制作完成后,，科學(xué)家們試圖通過將其充電到0.5V,，然后測量其開放的表面電壓來測試其電荷保留。據(jù)研究人員稱，他們的設(shè)備在150小時(shí)后仍有30%的剩余電量,，它的性能與當(dāng)前最先進(jìn)的碳基超級(jí)電容器站到了一個(gè)水平線上。

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也波動(dòng)了兩周，然后穩(wěn)定下來,，而后來在儲(chǔ)存了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)，他們能夠在9周內(nèi)溶解其質(zhì)量的50%左右,。

在測試過程中,，該團(tuán)隊(duì)的設(shè)備最終能夠在機(jī)械壓力下為一個(gè)3V的鬧鐘供電，并能在變化很大的溫度下工作,。因此,，隨著進(jìn)一步的研發(fā)，他們說它可以在更大的范圍內(nèi)部署,，為低電壓的智能設(shè)備持續(xù)供電,，例如那些用于環(huán)境監(jiān)測、電子紡織品或醫(yī)療保健的應(yīng)用,。

△研究人員認(rèn)為他們的3D打印超級(jí)電容器有可能在未來為其他低壓設(shè)備供電,。圖片來自EMPA

打印的電池：準(zhǔn)備好進(jìn)入市場了嗎？

雖然3D打印電池仍然處于相對早期的發(fā)展階段,，但有一些有希望的跡象表明,，該技術(shù)正在朝著可用于最終用途的方向發(fā)展。重新命名的Sakuu公司以前被稱為KeraCel,，最近宣布計(jì)劃在2022年推出其第一臺(tái)固態(tài)電池（SSB）3D打印機(jī),，據(jù)說這款打印機(jī)生產(chǎn)的電池容量比目前的鋰離子設(shè)備高得多。

在英國,，3D打印機(jī)制造商Photocentric已經(jīng)成立了一個(gè)內(nèi)部電池研發(fā)部門,，它正試圖設(shè)計(jì)一種屬于自己的新型節(jié)能存儲(chǔ)設(shè)備。通過減少電池電極的尺寸和重量,，該公司最終旨在開發(fā)一種更適合汽車應(yīng)用的裝置,，據(jù)說它的目標(biāo)是即將到來的特斯拉Giga工廠的創(chuàng)造。

在類似的領(lǐng)域當(dāng)中,，盡管更多的是實(shí)驗(yàn)性研究,，但來自曼徹斯特大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了一種3D打印的 "MXene "墨水，并使用它來生產(chǎn)超級(jí)電容器的原型,。在測試過程中,，科學(xué)家們說，他們的增材制造電極表現(xiàn)出了為未來的汽車或手機(jī)供電所需的高電容和能量密度。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見他們的論文,，題為 " Fully 3D Printedand Disposable Paper Supercapacitors",，該論文由Xavier Aeby, Alexandre Poulin,Gilberto Siqueira, Michael K. Hausmann和Gustav Nyström共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101328