科學家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

導讀：一直以來，電子材料報廢后的無公害處理都是困擾科學家的一大難題，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上遠比石油能源污染更大，如果不能有效解決電子垃圾問題，那長期以來倡導的“新能源”恐怕未來會面臨著更大的挑戰(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打印的高導電性橋接支架的圖片（光學圖片和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)一種更適合汽車應用的裝置，據(jù)說它的目標是即將到來的特斯拉Giga工廠的創(chuàng)造。

在類似的領(lǐng)域當中，盡管更多的是實驗性研究，但來自曼徹斯特大學的一個團隊已經(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 Nyström共同撰寫。

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