日本研究人員開發(fā)出用于電池的新型 3D 打印電極

2022年8月11日，南極熊獲悉，來自日本仙臺東北大學(xué)的研究人員最近宣布發(fā)現(xiàn)了一種3D打印新工藝——3D打印高性能的碳微晶格電池電極。有關(guān)這項研究的文章被發(fā)表在科學(xué)雜志《Small》上。據(jù)悉，這項新工藝有望成為生產(chǎn)更便宜、性能更好的電池的替代方法，并且減少電池的生產(chǎn)和使用對環(huán)境帶來的危害。

當(dāng)人們意識到汽油動力機(jī)器和車輛對環(huán)境的負(fù)面影響時，似乎只要改用電池就可以解決這些問題了。從那時起，似乎沒有人質(zhì)疑這種新的、所謂完全環(huán)保的選擇。然而，沒過多久，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，這個簡單的替代方案畢竟不像它看起來那么綠色。

雖然電池的使用確實對我們的地球沒有危害，但另一方面，這些電源的生產(chǎn)和處置卻非常有害。生產(chǎn)過程中涉及的危險化學(xué)品，以及危險的電池酸，本身就構(gòu)成了很大的環(huán)境威脅，考慮到現(xiàn)在使用的電子設(shè)備比以往任何時候都多，這種威脅是一個越來越令人擔(dān)憂的原因。當(dāng)然，禁止使用電池不是一種選擇，但使其更加生態(tài)化的唯一方法是找到更好地利用它們的方法，通過實現(xiàn)更高的性能，從而降低電池的生產(chǎn)量，正如日本研究人員最近的這一發(fā)現(xiàn)。

△電池的使用正在增加（圖片來源：Tyler Lastovich）。

提高電池的性能

為解決當(dāng)前的電池污染問題，東北大學(xué)材料科學(xué)家Akira Kudo和他的同事開發(fā)了一個新工藝：通過3D打印用于新型高性能、低成本電池的碳微晶格電極。這種新方法的目標(biāo)是通過最大限度地提高活性材料的潛力和能力，將用于制造電池的活性材料的裝載數(shù)量增加到一個電池單元中。這種負(fù)載材料的增加有望減少非活性材料。然而，雖然這些非活性材料負(fù)載將多個電池結(jié)合在一起，但電池將需要更厚的電極，而這將限制離子的移動，并隨之限制電池內(nèi)的電荷。

△3D打印的例子。圖片來源：東北大學(xué)

在他們的新嘗試中，Akira Kudo和他的團(tuán)隊使用立體光刻技術(shù)（SLA）從樹脂中創(chuàng)造出微晶格結(jié)構(gòu)，然后通過一個稱為熱解的過程將其碳化而縮小。由此產(chǎn)生的硬質(zhì)碳陽極能夠更快地傳輸產(chǎn)生能量的離子，并具有更精細(xì)的晶格結(jié)構(gòu)，這完全強(qiáng)化了陽極的性能。Kudo還指出："隨著3D打印機(jī)的分辨率越來越高，鈉離子電池最終可能會超過鋰離子電池。"盡管這一新發(fā)現(xiàn)對Kudo和他的團(tuán)隊來說是一個重大突破，但科學(xué)家們?nèi)栽谂�力實現(xiàn)他們的最終目標(biāo)，即進(jìn)一步發(fā)展這一過程，并很快使用這些精細(xì)架構(gòu)的電極來制造高性能、高性價比的鈉離子電池。