环球零碳
碳中和领域的《新青年》
来源：AI生成
撰文| Penn
编辑 | 小澜
→这是《环球零碳》的2054篇原创
面对可再生能源的间歇性、波动性问题，电力系统对于高效、高性能储能技术的需求越来越迫切。
当前商业化的锂离子电池能量密度已接近理论极限，且安全性问题时有发生，开发下一代高性能电池成为全球科研界与产业界的共同目标。
在追求更安全、更持久电池的道路上，科学家们把目光投向了锌电池。目前，对环境友好、能量密度高、成本低的锌空气电池逐渐发展成熟，水基电解质的“锌-卤素”电池也被行业巨头软银选定为下一代储能电芯。
除此之外，水系锌离子超级电容器凭借其兼具法拉第和电容式储能机制，能够实现高能量密度与高功率密度的结合，成为极具潜力的储能技术。
近日，一项发表在《Small》杂志上的新研究表明，由加州大学洛杉矶分校领导的一个研究团队开发了一种锌离子混合电池，该电池采用3D打印电极，其储能能力达到了同类设备的七倍以上，并且在经过1500次充放电循环后仍能保持82%的容量。
与传统的锂离子电池不同，新型混合锌离子电池结合了电池和超级电容器的特性，使其能够储存大量能量并快速释放能量。这类电池使用锌作为主要材料，锌价格更低、更容易获取，而且通常被认为更安全。
这使得它们成为可再生能源存储的理想选择，因为在可再生能源领域，成本和安全性通常比电池的小型化和轻量化更为重要。该设备专为储能应用而设计，适用于电池需要快速供电和充电、保持低成本和长时间续航的储能应用。
“储能的未来不会由单一技术决定，”该论文的共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系助理研究员马赫·埃尔·卡迪说道。
“在某种程度上，我们需要寻找能够补充现有电网级储能方案的替代方案。我们在这项研究中所做的，本质上是提供了一种锌离子混合装置，其储能容量可以提高近一个数量级，”他补充说道。
图说：液流电池示意图
来源：Small
加州大学洛杉矶分校的研究团队并没有研发新的电池化学体系，而是重新设计了一个混合电池结构。这款装置的一端是由锌电池充当传统锂电池的储能部分，另一端则采用与超级电容器类似的碳电极。
超级电容器以其快速充放电和长使用寿命而闻名。然而，由于电荷仅储存在电极表面，因此它们的储能能力通常较弱。
研究人员通过增加碳电极的表面积并负载钒氧化物（一种可以储存大量能量的材料）来解决这一限制，钒氧化物理论容量高、倍率性能优异。这种组合使得混合装置能够存储比类似的电容器系统多得多的电荷。
研究人员首先使用Elegoo Mars 3 Pro树脂3D打印机打印了一个轻质晶格。该技术利用液态树脂在紫外激光照射下瞬间固化的性质进行3D打印，打印完成后该结构被加热至高温，直至形成带有孔洞的导电碳框架，这个碳晶格就用作电池的电极。
随后，研究人员利用化学方法将氧化钒负载到碳结构上，这种材料能够储存和释放能量。由于该晶格包含数十亿个微孔，因此它提供了巨大的内部表面积，同时又为锌离子在电池内部的移动留出了空间。研究详情显示，一克这种材料如果像纸一样摊平，可以覆盖大约10个网球场。
图说：用于水系锌离子储能的3D打印碳晶格
来源：Small
在该项研究中，科研人员提出了一种3D打印的、无粘结剂的自支撑导电碳晶格电极，其中集成了氧化钒（VOx）。该3D框架有助于VOx的均匀分散，从而增加电活性表面积，增强离子传输能力，并在高电流密度下保持结构完整性。
该架构实现了每平方厘米38毫克的高质量负载，并在每平方厘米3毫安的电流密度下实现每平方厘米7129毫法的面积电容，面积功率和能量密度分别为每平方厘米44毫瓦和1毫瓦时。同时，该混合电池具有优异的循环性能，经1500次循环后容量保持率仍达82%。
此项研究还介绍了3D打印带来的第二项创新。研究团队设计了一种密封的电化学测试单元，该测试池能够固定电极间距并抑制电解液蒸发。与通常用于三电极测量的开放式烧杯装置相比，该打印测试池能够获得更稳定的电容和电阻值，并且在1400次循环后仍能保持98%的容量。
研究团队表示，研究人员无需为每个实验定制测试设备，即可使用这种标准化设计，更一致地评估和比较新型电池技术。这种3D打印电极和测试池的协同作用，为制备实用、高能量密度和高功率密度的锌离子超级电容器提供了一条可重复的途径。
图说：密封式3D打印电池测试单元
来源：AI生成
尽管取得了显著进展，将架构3D电极转化为实验室之外仍面临挑战。立体光固化成型（SLA）制造与传统电极制造相比吞吐量有限，活性材料沉积步骤繁琐且耗时。
未来的工作可以扩展这种方法，通过将相同的电池应用于碱性、有机或酸性更强的电解液中，以探索其他电化学测试条件。
将 3D 打印电极与电池设计相结合，为更可靠和可扩展的水系锌电池系统迈出了有希望的一步。这一研究通过结合材料创新与设备工程，为下一代锌离子超级电容器的发展提供了可复制的路径，展示了3D打印技术在能源存储领域的应用潜力和广阔前景。
参考材料：
[1]https://interestingengineering.com/energy/ucla-unveils-3d-printed-zinc-battery
[2]https://3dprint.com/328063/ucla-3d-prints-zinc-ion-battery-with-seven-times-more-energy/
[3]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202514911
[4]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41841435/
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