顆粒在線訊：2021年10月22日，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室（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)?？沙掷m(xù)的新型超級電容器。

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)友好型能源儲存設(shè)備，科學(xué)家們已經(jīng)開始試驗電雙層電容器，或"EDLCs"。這些高容量、快速充電的超級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)進行了大量的研究，但它各個不同的部分，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，需要耗費時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)超級電容器的打印設(shè)計示意圖。F) 印刷在曲面基板上的集電體的照片，單個墊子的電阻為38Ω。G) 在曲面基底上打印的超級電容器陣列為桌面時鐘供電21分鐘的照片

一個 "最先進的"超級電容器

為了簡化EDLC的生產(chǎn)并創(chuàng)造一個屬于他們自己的生態(tài)友好型電池，EMPA團隊轉(zhuǎn)向了DIW 3D打印，他們用這種方法來制造兩個“電池半成品”，然后再將它們折疊在一起。在實踐中，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，在這個過程中，經(jīng)過一些調(diào)整，產(chǎn)生了一個功能性電池。

EMPA纖維素和木質(zhì)材料實驗室的XavierAeby說："這表面上聽起來很簡單，但事實上根本不是。它需要進行一系列的測試，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小時后仍有30%的剩余電量，它的性能與當(dāng)前最先進的碳基超級電容器站到了一個水平線上。

有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的超級電容器的容量在制造后也波動了兩周，然后穩(wěn)定下來，而后來在儲存了8個月后仍然保持功能，當(dāng)他們完成實驗并試圖將其堆肥時，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，該團隊的設(shè)備最終能夠在機械壓力下為一個3V的鬧鐘供電，并能在變化很大的溫度下工作。因此，隨著進一步的研發(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。

△研究人員認為他們的3D打印超級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，最近宣布計劃在2022年推出其第一臺固態(tài)電池（SSB）3D打印機，據(jù)說這款打印機生產(chǎn)的電池容量比目前的鋰離子設(shè)備高得多。

在英國，3D打印機制造商photocentric已經(jīng)成立了一個內(nèi)部電池研發(fā)部門，它正試圖設(shè)計一種屬于自己的新型節(jié)能存儲設(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，盡管更多的是實驗性研究，但來自曼徹斯特大學(xué)的一個團隊已經(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 Nystr?m共同撰寫。

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