鋰電池也能3D打印？

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖以逐層打印的方式構(gòu)造出實(shí)物的技術(shù)。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，該技術(shù)在珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、土木工程以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

3D打印電池實(shí)際上是由哈佛大學(xué)Jennifer A.Lewis領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于2013年6月提出的。該課題組研發(fā)了一種氣動(dòng)式直寫3D打印機(jī)，并且利用該打印機(jī)分別打印了正極材料為LiFeP04，負(fù)極材料為Li4Ti5012的片狀交錯(cuò)式的三維鋰離子電池。其原理是利用壓縮空氣作為動(dòng)力源將打印漿料從噴嘴中以連續(xù)細(xì)絲的形式擠出，通過計(jì)算機(jī)輔助軟件控制噴頭進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)，最終打印出鋰電池。打印出的電池分別為8層和16層，電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示電池正負(fù)極的電導(dǎo)率分別為2.1×105Ω·cm和2.3×103Ω·cm，能量密度達(dá)到9.7J·cm-2，功率密度達(dá)到2.7mW·cm-2，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

哈佛大學(xué)科學(xué)家3D打印鋰電池示意圖（來源：許豐，《低溫直寫3D打印制備鋰離子電池高負(fù)載量多孔電極技術(shù)的研究》）

3D打印電池優(yōu)勢

（1）原材料易獲得，可以嘗試更多新型電池

已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化或者尚處于實(shí)驗(yàn)室階段的電池有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈉電池等，3D打印技術(shù)還能應(yīng)用于如柔性電池、固態(tài)電池、燃料電池等技術(shù)的突破。

（2）設(shè)計(jì)更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)電池

3D打印技術(shù)電池能夠從微米尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，電池幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度大大提高，甚至讓電池占據(jù)更少的車身體積，改良新能源汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）提高能量密度

由于3D打印電池可以實(shí)現(xiàn)離子或者電子擴(kuò)散路徑縮短，實(shí)現(xiàn)更高的功率能量密度、體積能量密度，提高續(xù)航能力。

（4）成本低、更安全

3D打印技術(shù)可以顯著減少材料浪費(fèi)，并且節(jié)省潛在的生產(chǎn)耗時(shí)，通過直接集成電池和微型電子設(shè)備來減少組裝和包裝的步驟；另外，多孔電極結(jié)構(gòu)使電芯內(nèi)部散熱性更好。

3D打印電池產(chǎn)業(yè)化

（1）瑞士黑石公司

瑞士黑石公司在2020年11月已開設(shè)第一家位于德國的3D打印電池生產(chǎn)工廠，并且將結(jié)合德國的汽車制造業(yè)開發(fā)下一代電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池研發(fā)。2021年4月，黑石公司對外宣稱已成功打印首款可工作的鋰離子固態(tài)電池，并且下一步黑石公司將專注于研發(fā)3D打印鈉離子電池技術(shù)，目標(biāo)是在2025年前將一種新的3D打印鈉離子電池推向市場。

黑石公司3D打印鋰電池（來源：黑石科技）

（2）日本Sakuu

Sakuu（前身為KeraCel）在日本汽車制造商武藏精密工業(yè)的支持下，開發(fā)了3D打印鋰金屬固態(tài)電池。去年，Sakuu公司宣布開始建設(shè)鋰金屬固態(tài)電池生產(chǎn)試驗(yàn)線，投產(chǎn)后每年將能生產(chǎn)高達(dá)2.5兆瓦時(shí)的固態(tài)電池。Sakuu公司表示，該試驗(yàn)線是為了證明電池制造工藝的可行性，并向其戰(zhàn)略伙伴提供樣品產(chǎn)品。2022年6月，Sakuu宣布其3D打印鋰金屬陽極電池已經(jīng)達(dá)到了基準(zhǔn)設(shè)定的800Wh/L能量密度，經(jīng)過廣泛測試后實(shí)現(xiàn)了連續(xù)3C放電率，將于2022年第四季度上市。

Sakuu 3D打印電池（圖源：Sakuu）

（3）美國6K Energy

6K Energy是一家3D打印材料研發(fā)商，并擁有一種名為“UniMelt系統(tǒng)”的微波等離子生產(chǎn)工藝，能夠以快速、環(huán)保的形式生產(chǎn)電池材料。如果這種工藝應(yīng)用于電池陰極材料制作，能夠減少90%的用水量，能耗和溫室氣體排放量也能減少三分之二以上。6K Energy的CEO亞倫·本特認(rèn)為，6K Energy的機(jī)會(huì)在于，一方面未來10年鋰電池市場將會(huì)增長10倍，另一方面美國本土沒有鋰電池材料生產(chǎn)商。“這對國家安全和行業(yè)都是一個(gè)問題”。他還強(qiáng)調(diào)，得益于3D打印技術(shù)，6K Energy是唯一一家能以低于亞洲（生產(chǎn)商）的成本生產(chǎn)電池材料的公司。按照計(jì)劃，6K Energy將于今年8月開設(shè)其耗資3000萬美金的電池中心，推進(jìn)第一個(gè)產(chǎn)能規(guī)劃為10-20GWh電池陰極工廠的選址，并于2024年初投產(chǎn)。

6K Energy的UniMelt工藝系統(tǒng)（圖源：Manufactur3D）

（4）英國Photocentric

2020年9月15日，英國3D打印機(jī)和材料制造商Photocentric宣布成立3D打印電池研究部門，致力于開發(fā)環(huán)保的3D打印電池，并表示會(huì)持續(xù)加大投資力度，優(yōu)化3D打印燃料電池在汽車中的應(yīng)用。2021年5月，Photocentric公司宣稱通過光聚合實(shí)現(xiàn)對電池電極結(jié)構(gòu)的精確控制，已經(jīng)為新能源汽車和更多的產(chǎn)品打開了新型電池幾何形狀復(fù)雜化和電池組輕量化的大門。該公司3D打印電池的過程與用光聚合工藝相似，電極是使用專有的光聚合樹脂進(jìn)行3D打印的，這種樹脂可作為商業(yè)電極粉末和導(dǎo)電添加劑的粘合劑。然后對生坯打印部件進(jìn)行清洗和固化，接著進(jìn)行脫膠和燒結(jié)，以去除聚合物，只留下活性電極材料。此外，公司開發(fā)了一個(gè)獨(dú)立的3D打印電池系統(tǒng)，部件從打印到清洗和后處理都是自動(dòng)進(jìn)行的，避免了污染或損壞脆弱電極的風(fēng)險(xiǎn)。

3D打印電極的工藝拓寬了電池和電池組幾何形狀的設(shè)計(jì)可能性，并且可以獲得更好的能量密度和性能（圖源：Photocentric）

（5）中國交大高能

長春交大高能科技有限公司成立于2021年4月，由西安交大長春3D打印創(chuàng)新中心孵化而來。公司擁有電極創(chuàng)新設(shè)計(jì)算法和電極材料微納3D打印等核心技術(shù)，能夠提升動(dòng)力電池的安全性能、提高50%以上的能量密度、降低40%以上的生產(chǎn)成本。但是，交大高能并不直接制造電池，而是幫助電池企業(yè)制造出更好的電池--其產(chǎn)品是3D打印設(shè)備，以及為電池廠提供“數(shù)字化智造系統(tǒng)”。

交大高能3D打印電池產(chǎn)品（圖源：交大高能）

寫在最后

相比于歐洲、美國等3D打印電池企業(yè)已走上工業(yè)化的道路，我國3D打印電池技術(shù)水平尚且薄弱，產(chǎn)業(yè)仍處于孵化階段。

“海外的電池企業(yè)想顛覆中國供應(yīng)商，而中國的中小電池企業(yè)也想顛覆頭部的電池巨頭，所以他們都關(guān)注3D打印技術(shù)在電池行業(yè)的應(yīng)用”。交大高能創(chuàng)始人王世明表示。3D打印電池市場的醞釀期已經(jīng)階段性結(jié)束，正在接近爆發(fā)期前夜，“海外已經(jīng)有兩三家公司很快就將進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段”。與之相對應(yīng)的是，中國的3D打印電池企業(yè)，包括交大高能已落后歐美1-2年，目前才完成驗(yàn)證，正在建立示范生產(chǎn)線的階段。

中國制造了全世界一多半的動(dòng)力電池，在技術(shù)、規(guī)模上處于領(lǐng)先地位，但這種領(lǐng)先也給了海外公司革新行業(yè)的動(dòng)力。外國對手很清楚，利用現(xiàn)有的制造手段超越中國電池產(chǎn)業(yè)鏈的可能性較小，而他們擁有更好的創(chuàng)新土壤，就想通過顛覆性技術(shù)來實(shí)現(xiàn)趕超。因此，對于我國3D打印電池產(chǎn)業(yè)，期望盡快步入商業(yè)化生產(chǎn)道路，繼續(xù)占據(jù)全球電池企業(yè)市場頭部！

參考來源：

純電俠，《當(dāng)動(dòng)力電池用上3D打印技術(shù)，會(huì)引發(fā)怎樣的工業(yè)革命？》

創(chuàng)業(yè)邦，《汽車電池也能3D打印？這家新晉獨(dú)角獸不想活在“寧德時(shí)代”》

電池中國，《固態(tài)電池新時(shí)代！Sakuu將建3D打印固態(tài)電池試驗(yàn)線》

劉奇等，《3D打印鋰電池的研究現(xiàn)狀及前景展望》

王曉燕等，《3D打印在新能源汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢》

許豐，《低溫直寫3D打印制備鋰離子電池高負(fù)載量多孔電極技術(shù)的研究》

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