一種新型的三維印刷電池，利用植物淀粉和碳納米管制成的電極，可以為移動設(shè)備提供更環(huán)保、更高容量的電源。

格拉斯哥大學(xué)的一個工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了這種電池，以使鋰離子電池更可持續(xù)，能夠更有效地存儲和輸送電力。電池的設(shè)計(jì)和制造在《電源雜志》上發(fā)表的一篇論文中作了概述。

鋰離子電池提供了一個有用的組合，重量輕，緊湊的形式因素和能力，承受許多周期的充電和放電。這使得它們非常適合于廣泛的設(shè)備，包括筆記本電腦、手機(jī)、智能手表和電動汽車。

與許多電池一樣，鋰離子電池包括一個正極，通常由鋰鈷/錳氧化物或磷酸鐵鋰制成，負(fù)極通常由鋰金屬制成。充電期間，鋰離子從正極流過電解質(zhì)，流向負(fù)極，在那里儲存鋰離子。在使用過程中，離子流向相反的方向，通過電化學(xué)反應(yīng)向電源裝置發(fā)電。

鋰離子電池的儲能和釋放能量電流設(shè)計(jì)的物理限制之一是電極的厚度。較厚的電極限制了鋰離子在電極上的擴(kuò)散，從而限制了鋰離子電池的比能量。增加電極厚度也會降低其應(yīng)變耐受性，使其更容易開裂。一旦電極斷開，電池就沒用了。

格拉斯哥led團(tuán)隊(duì)的電池旨在通過在設(shè)計(jì)中引入微小的納米和微尺度的孔或孔隙，在電極的尺寸和表面積之間達(dá)成更好的平衡。通過去除帶有孔的電極表面和內(nèi)部，與具有相同外部尺寸的實(shí)心電極相比，它們可以大大增加電極的表面積。

為此，他們使用了一種添加劑制造技術(shù)，也就是3D打印，來嚴(yán)格控制電極中每個孔的大小和位置。

他們用他們開發(fā)的材料將聚乳酸、磷酸鋰和碳納米管結(jié)合起來，裝載了他們的3D打印機(jī)。聚乳酸是一種可生物降解的材料，由玉米、甘蔗和甜菜淀粉加工而成，提高了電池的可回收性。

他們實(shí)驗(yàn)在三種不同厚度的100，200和300微米的圓電極。用不同材料組合測試每個電極，將材料混合物中碳納米管的數(shù)量按重量的3%變?yōu)?0%，通過在整個電極上引入嚴(yán)格控制的孔柵，使其孔隙率從10%變?yōu)?0%。

該團(tuán)隊(duì)的300微米電極電池，其70%的孔隙率在測試期間表現(xiàn)最好，其比容量為151毫安每克，或毫安/克——電池能容納多少電量的標(biāo)準(zhǔn)測量值。這是傳統(tǒng)鋰離子電池性能的2-3倍，其固體電極厚度相同。

300微米電極的孔隙率增加，從而增大了比表面積，也影響了電池的面積容量。較厚的電極能夠存儲4.4毫安每平方厘米（或毫安歐厘米?2），而100微米電極中的1.7毫安厘米-2則增加158%。

這項(xiàng)研究由格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的ShanmugamKumar博士以及阿布扎比的哈利法科技大學(xué)、德克薩斯A&M大學(xué)和美國亞利桑那州立大學(xué)的同事一起領(lǐng)導(dǎo)。。

Kumar博士說：“鋰離子電池在日常生活中越來越普遍，隨著我們向更大的交通電氣化和更可持續(xù)的世界邁進(jìn)，鋰離子電池的普及率可能會繼續(xù)增加。然而，鋰離子電池有自己的可持續(xù)性問題，因此，我們必須尋找新的方法，使其更好、更環(huán)保。

“我們在本研究中使用的3D打印工藝，讓我們對電極孔隙率進(jìn)行了顯著的控制，使我們能夠精確地設(shè)計(jì)出一種能夠解決當(dāng)前鋰離子電池某些缺點(diǎn)的新型超材料。我們已經(jīng)創(chuàng)造了一個高比容量和面積容量的電池，具有極好的循環(huán)性。

“這些都是有希望的初步成果，我們熱切希望繼續(xù)探索這種微縮材料為未來消費(fèi)者創(chuàng)造更好、更可回收的電池的可能性?！?/p>

該研究小組的論文名為“用于高性能鋰離子電池的添加劑制造、微結(jié)構(gòu)、分層多孔聚乳酸/磷酸鐵鋰/碳納米管納米復(fù)合電極”，發(fā)表在《電源雜志》上。