Новый тип батареи, напечатанной на 3D-принтере, в которой используются электроды из растительного крахмала и углеродных нанотрубок, предоставит мобильным устройствам более экологически чистый источник энергии с большей емкостью.

Группа инженеров из университета Глазго разработала батарею, чтобы сделать более экологичные литий-ионные батареи, способные более эффективно хранить и отдавать энергию. Конструкция и производство батареи описаны в статье, опубликованной в Journal of Power Sources.

Литий-ионные аккумуляторы представляют собой полезное сочетание легкого и компактного форм-фактора и способности выдерживать множество циклов зарядки и разрядки. Это сделало их идеально подходящими для использования в широком спектре устройств, включая ноутбуки, мобильные телефоны, умные часы и электромобили.

Как и многие батареи, литий-ионные батареи содержат положительный электрод, часто сделанный из литий-кобальта / оксида марганца или фосфата лития-железа , и отрицательный электрод, часто сделанный из металлического лития. Во время зарядки ионы лития протекают через электролит от положительного электрода к отрицательному, где они хранятся. Во время использования ионы текут в противоположном направлении, генерируя энергию для питания устройств за счет электрохимической реакции.

Одним из физических ограничений на количество энергии, которое может накапливать и выделять конструкция литий-ионных батарей, является толщина их электродов. Более толстые электроды ограничивают диффузию ионов лития через электрод, тем самым ограничивая удельную энергию литий-ионных батарей. Увеличение толщины электродов также снижает их устойчивость к деформации, делая их более склонными к растрескиванию. Как только электрод ломается, аккумулятор приходит в негодность.

Разработка ученых под руководством университета Глазго направлена на достижение лучшего баланса между размером и площадью поверхности электродов за счет введения крошечных наноразмерных и микромасштабных отверстий или пор в их конструкцию. Изрезая поверхность и внутреннюю часть электродов порами, они могут значительно увеличить площадь поверхности по сравнению с твердым электродом с такими же внешними размерами. Для этого ученые использовали технологию аддитивного производства — 3D-печать. Цель — строго контролировать размер и расположение каждой поры в своих электродах.

Они загрузили свой 3D-принтер разработанным ими материалом, который сочетает в себе полимолочную кислоту, фосфат лития-железа и углеродные нанотрубки.

Что такое полимолочная кислота? PLA(PolyLactic Acid, Polylactide) — это алифатический термопластичный полимер, получаемый из 100% возобновляемых ресурсов, таких как кукуруза и картофельный крахмал. Посредством полимеризации PLA приводит к образованию поли (L-молочной кислоты) (PLLA). Химические и физические свойства этих PLA полностью совпадают. Это биоразлагаемый материал и он увеличивает рециркулируемость батареи.

Батарея с электродом на 300 микрон и пористостью 70% показала наилучшие результаты во время испытаний с удельной емкостью 151 миллиампер-час на грамм, или мАч / г, — стандартное измерение того, сколько заряда может удерживать батарея. Это примерно в два-три раза выше производительности традиционной литий-ионной батареи с твердым электродом такой же толщины.

Повышенная пористость и, следовательно, большая площадь поверхности самого толстого 300-микронного электрода также повлияла на емкость батареи, она увеличилась на 158%.