加州大学洛杉矶分校的研究人员开发出一种3D打印锌离子电池。他们表示，这种电池的能量密度是同类产品的七倍以上。该研究成果发表在《Small》杂志上。
这项研究的核心是锌离子化学。锌储量丰富且价格相对低廉，但其安全性低于锂。长期以来，工业界和研究人员一直认为锌是太阳能和风能装置配套固定式储能的理想选择。
这一主张背后的架构
加州大学洛杉矶分校的研究团队利用增材制造技术重建了电池的内部结构。他们打印了一个轻质晶格电极，并在其上涂覆了一层氧化钒。这种材料负责储存和释放电荷。
热处理将打印支架转化为导电碳框架。该工艺形成了一种充满微孔且内部表面积极大的结构。这种几何形状为锌离子提供了移动空间，也使得该器件能够比传统设计存储更多的电荷。
加州大学洛杉矶分校化学与材料科学教授、论文共同通讯作者里克·卡纳表示，3D打印技术使工程师能够直接控制支架的微观结构。他指出，工程师可以通过这种方法制造数十亿个微孔。这些微孔极大地增加了可用于电荷存储的内部表面积。
研究团队将最终成果描述为一种混合型器件，它结合了电池和超级电容器的特性，旨在兼顾高容量和快速能量释放。
耐久性和网格尺度问题
对于固定式储能而言，电池寿命通常比能量密度更为重要。该电池在经过1,500次充放电循环后仍保持了82%的容量。研究电网级应用的科研人员将密切关注这一数据。
锌离子电池多年来一直备受关注，尤其是在固定式储能领域。但其性能历来落后于锂离子电池。如果加州大学洛杉矶分校的研究结果能够推广到更大容量的电池，将有助于缩小这一差距。
加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系助理研究员、论文共同通讯作者马赫·埃尔-卡迪表示，仅靠一种化学方法不太可能满足更广泛的存储市场需求。这一观点反映了存储研究人员的普遍共识。不同的应用需要在成本、安全性、重量和循环寿命之间做出不同的权衡。
目前的研究并未涉及规模化生产，也没有提供商业成本预测。这些问题仍有待解答。
实验室一致性辅助工具
除了电池本身，这项研究还产生了第二个成果。研究团队设计了一种密封的电化学测试池，旨在提高实验室测量的一致性。论文第一作者、加州大学洛杉矶分校博士毕业生索菲娅·上村表示，这一概念可以帮助其他研究人员获得更可靠的数据。
研究团队使用Onshape软件构建了电池模型，并使用Bambu Lab X1 Carbon打印机和透明耗材将其打印出来。该设计旨在取代目前各实验室使用的定制化测试装置，这些装置各不相同，可能导致报告结果出现不一致的情况。
植村表示，随着3D打印机的普及，该设计应该相对容易复制和修改。鉴于消费级打印机的广泛应用，这一说法合情合理，但目前尚未有独立复制案例的报道。
这在更广泛的领域中处于什么位置
加州大学洛杉矶分校的这项研究成果出炉之际，正值美国各地的研究团队重新评估增材制造作为储能设计工具的潜力。与此同时，加州理工学院也开展了一项独立研究，将3D打印技术应用于锂离子电池结构设计。这些项目共同表明，大学实验室使用3D打印技术的方式正在发生转变。研究重点已从单个组件的原型制作转向重新设计电池内部结构。
对于关注储能成本的投资者和政策制定者而言，锌离子储能技术仍是一个长期发展方向。目前，锂离子储能技术在已部署的电网储能领域占据主导地位。锌离子储能技术在规模化应用方面具有潜在的成本和安全优势。加州大学洛杉矶分校的研究成果尚处于早期阶段，且发表于大学实验室环境。商业验证还需要开展大量工作。
Small 的这项研究经过同行评审。该研究在加州大学洛杉矶分校进行。现有资料中未披露任何外部资金来源。
