3D打印會改變電池制造嗎？

導讀：鋰電池是電動汽車、電話、可穿戴電子產品、能量存儲等的核心，為數字化生活提供動力。然而，鋰電池在損壞時容易著火，這是行業必須解決的問題。在市場中，不乏有尋求解決鋰離子電池故障問題的初創企業，特別是用創新的固態方法取代揮發性液態的制造方法。電池初創公司表示，使用3D打印制造電池（也稱為增材制造）不僅可以解決安全問題，還可以提供能量密度更高、充電速度更快的電池，這些電池比目前可用的電池更小、更輕、生產成本更低。下面南極熊將介紹三家在3D打印鋰電池領域較為突出的初創公司，分別是Sakuú、Blackstone和photocentric，此外南極熊還將介紹3D打印鋰電池的前沿研究。

●Sakuú自由設計電池尺寸

Sakuu 是世界上首個 3D 打印固態電池的開發商，并于2022年8月在硅谷為電池平臺打印計劃開設了一個先進的多方面工程中心。據悉，該新設施占地79,000 平方英尺，將用作公司的工程中心。它將匯集電池、工程、材料科學、研發和增材制造等團隊，預計到 2023 年第一季度將容納 115 名員工。

該公司表示，其 Swift Print 電池可以制造成任何形狀或尺寸，能夠根據公司專有的3D打印機進行定制。相比于傳統制造方法，3D打印能夠實現更復雜的幾何形狀，并具有生產靈活性和較高的制造速度，因為無需等待生產模具或制造工具。

Sakuú 表示，鋰離子電池將不再局限于矩形、圓柱形或袋狀，可以集成到不同的產品中，設計人員能夠以創新產品為核心設計電池，而不是適應標準電池形狀從而開發產品。名為 Kavian 的 Sakuú 3D 打印機在同一層使用金屬、陶瓷、玻璃和聚合物來生產固態電池，比現在的方法更快、更便宜、更輕便。盡管3D打印機的具體細節尚未公開，但 Kavian 平臺使用了不止一種 3D 打印技術，與傳統的卷對卷電池制造工藝相比，制造步驟減少了一半。

Swift Print 電池技術包括粘合劑噴射（金屬或聚合物粉末與流體逐層粘合在一起）、金屬材料噴射（熔融或金屬漿液逐層沉積和硬化），能夠在各層堆疊制造之前進行人工智能質量控制和檢查。與當今鋰電池的制造方式相比，Sakuú 表示，其 Kavian 平臺可以將制造成本削減 33%，工廠規模縮小 44%。

●Blackstone：3D打印電池提高可持續性

除了形狀和尺寸的自由度之外，3D 打印還可以讓制造商節省原材料，例如稀土礦物鋰、鈷和錳，并減少或消除溶劑的使用。3D 打印被稱為“增材”技術而不是“減材”技術，幾乎不會產生浪費。特別是在基于粉末的增材制造中，剩余的材料會被回收并用于下一次打印。

3D 打印電池初創公司Blackstone Technology表示，其方法比傳統方法更具可持續性，它不僅可以在制造過程中節省電池金屬材料，而且能源消耗將減少 25%。Blackstone 在產品成熟度方面比 Sakuú 更進一步，已于 2021 年打印出其首款功能性電池。其技術稱為厚層技術，與 Sakuú 截然不同，它的核心是3D絲網打印的方法。Blackstone表示該技術將比傳統電池制造便宜 30%，并且可用于液態電解質和固態電池。

3D絲網打印使用金屬漿料和粘合劑在絲網打印過程中通過計算機生成的掩模壓制，然后硬化，重復逐層打印，直到完成幾乎任何形狀的零件。

Blackstone 說：“固態電池的制造能夠提高能量密度，并將顯著降低電池技術的成本，該公司正在與大眾汽車就將其電池整合到該汽車制造商的電動汽車中進行洽談。“除了在德國工廠生產電池外，Blackstone 還自己開采和采購材料，該公司投資稀土采礦業務，例如加拿大的 Electra Battery Materials，并在挪威持有許可證，可以申請多種稀土金屬的開采許可證。

Blackstone還不斷研發鈉離子電池技術：現代液體電解質電池生產線十分單一，企業一次只能生產一種類型的電池。制造過程十分耗能且昂貴，且需要使用對環境和人體有害的溶劑作為電極的原材料。Blackstone 為了解決上述問題，提出了利用3D 打印方法逐層制造電池的方法，旨在使電池制造過程更加靈活、更具成本效益并且能夠在使用環保材料的同時生產更多類型的電池。由于3D打印的制造方式本身具有很強的靈活性，Blackstone可以根據客戶的要求定制電池的尺寸和形狀。Blackstone的鈉離子技術，具有幾個優勢：

1.原材料易獲得

2.制造過程環保

3.制造過程更經濟

4.與傳統制造的電池相比，能量密度更高

5.電池的安全性更高

●Photocentric：供應鏈彈性

如今，稀土金屬（主要來自中國）供應量的減少是電池制造的一個重大障礙。許多公司和地區正在尋求恢復電池生產的方法，以消除潛在的供應鏈中斷并確保能源獨立。3D打印公司Photocentric自 2020 年以來已獲得數百萬政府投資，用于開發新型工業 3D 打印機，以制造用于電動汽車的固態電池。Photocentric 的技術仍處于研發階段，與 Sakuú 或 Blackstone 的不同，它的核心技術是基于使用光聚合物的樹脂 3D 打印。

目前，Photocentric 已將聚合物電解質粘合劑以及陽極和陰極粉末開發成可打印的光聚合物樹脂，正在申請專利的方法有望為英國市場低成本大規模生產輕型電池。

●Ampcera和LLNL實驗室獲150萬美元投資，開發更耐用、更高效的3D打印鋰電池

2022年7月9日，南極熊獲悉，為了減少二氧化碳排放，邁向更加綠色的未來，美國能源部 (DOE) 已向 Ampcera 和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 提供了一筆大約 150 萬美元的資金。這筆資金將被用于資助開發制造3D結構鋰電池陰極的無溶劑激光粉末床融合 (L-PBF) 增材制造技術，提高鋰電池的性能和能量密度，使其更加經濟和可持續。

Ampcera是鋰電池市場的一家富有創新性的供應商，現與勞倫斯利弗莫爾國家實驗室合作，該合作項目是美國能源部先進制造辦公室批準的六個能源系統項目之一，旨在減少工業排放，開發清潔能源技術。此款鋰電池將通過增材制造技術進行研發生產，十分節能。據悉，增材制造電池的預計效率將比傳統制造方法提高 10 倍以上，鋰電池制造成本將降低50%以上。此外，通過 3D 打印生產鋰電池也有望將能量密度提高到 450 Wh/kg 以上，并將成本降低到每 kWh 不到 75 美元。

●中科院物化所開發出3D打印金屬鋰電池：超4800h的超長循環壽命

2022年10月，南極熊獲悉，來自中國科學院大連化學物理研究所催化重點實驗室的研究人員開發出一種新型鋰金屬電池，他們利用了3D打印技術顯著提高了電池的壽命和能量密度。

在這項工作中，研究人員使用3D打印技術，開發了多孔導電的Ti3C2Tx MXene，作為無枝晶和穩定的Li陽極，以及多維導電的LiFePO4(LFP)晶格作為超厚陰極，以構建具有強大的循環穩定性和超高面能量密度的全3D打印LMB。具體地說，高濃度的Mxene油墨具有高的表觀粘度約為105pa?s和并具有一定的屈服應力(3990P.)，有利于3D打印清晰的圖案化電極。

由此形成的導電性多孔網絡不僅使鋰離子通量和局部電流分布均勻，而且Ti3C2Tx Mxene的親鋰基團O和F可以與鋰離子反應形成均勻的SEI膜，有效地控制了金屬Li的均勻形核和生長，抑制了Li樹枝晶的生長。

專注新能源電池3D打印，高能數造提供更安全、更高能的電池解決方案

高能數造是一家3D打印電池產業化公司，于2021年正式進軍新能源電池3D打印領域，投身于電池制造工藝中。高能數造孵化于西安交通大學快速制造國家工程研究中心長春 3D 打印創新中心，成立僅一年多時間，目前已與一汽集團、愛馳汽車、柳工股份、中科院大連化學物理研究所等單位的電池研制機構展開合作，并產生營收。此前，高能數造已經完成由科創航天基金投資的天使輪融資。

高能數造創始人兼CEO王世明告訴36氪，如今的電極生產存在5-6個制造環節（涂布、烘烤、錕壓、分切、卷繞/疊片），生產環節多、能耗高、占地面積大，且不具備柔性產能。電池工廠前期投入很大，并且只能生產液態電池，不能生產全固態電池，更無法生產異形電池。通過這樣的復雜工藝所制作的電池本身也存在很多亟待解決的痛點問題：一是安全性低，存在自燃風險；二是能量密度低，用戶有續航焦慮；三是生產環節輔材需求大，浪費大、能耗高，導致單電池成本高。

王世明表示，高能數造希望通過3D打印技術替代傳統的電池制造工藝，利用自主研發的3D打印設備及電池材料3D打印技術直接打印出電池需要的正負極片。

當被問及技術優勢時，王世明認為，相較于傳統涂布工藝所生產的平面電極，電池3D打印工藝可以生產出傳統極片2-3倍厚度的3D結構電極；安全性上，3D打印可以制造具有連續微孔結構的立體電極，其內部散熱效率高，可以有效降低自燃風險；成本上，3D打印厚電極工藝可以減少隔膜、集流體等輔材的使用，以及更低的能耗和更少的浪費，從而降低30%左右電池制造成本；輔材變少，也可以節省出更多的電池內部空間來放置正負極材料，相當于在不改變活性物質配方情況下提高電池能量密度；產線投入上，相較于涂布工藝，電池3D打印工藝在同等產能條件下可以減少約40%的電池生產設備投入。

除了具備性能、安全、成本等優勢以外，電池3D打印工藝依托其高精度、高設計自由度的優勢，還可以用于制造超微型電池、異形電池和定制電池。同時，通過切換灌裝不同材料的打印噴頭，3D打印電池工藝可以實現全固態電池的一體化制造。

王世明提到，全固態電池作為下一代電池發展的主要趨勢，也是高能數造所關注的焦點之一。高能數造掌握著多種類電極材料的3D打印技術，并已成功推出多噴頭高效率3D打印設備。該設備一方面可以適配市面上所有的電極材料；另一方面，可以實現全固態電池從集流體、負極、電解質、正極到集流體的創新設計與一體化制造，并可通過預先設計的三維電極結構有效改善全固態電池固固界面接觸問題，從而為全球全固態電池的產業化生產提供了一種有效可行的制造工藝。借助電池3D打印工藝，高能數造希望成為全固態電池制造標準的引領者。

在產品上，除了已推出的兩代電池3D打印設備外，高能數造也于今年11月率先發布了3D打印電池品牌——拓撲高能，其產品系列覆蓋最大三維尺寸小于4毫米的超微型電池、異形電池、定制電池和全固態電池四類。據王世明介紹，這是一個3D打印電池品牌，高能數造目前可為用戶提供超薄、曲面、可折疊、仿形、直徑超過100毫米的圓形電池等各類電池產品的定制化生產。

在商業模式上，除提供電池產品定制以外，未來高能數造也會為全球擴產擴能的電池廠提供以3D打印為主要工藝的電池數字智造產線。

在創始團隊上，高能數造組成了包含電化學、新能源材料、增材制造、產業發展等專業的復合型創新團隊。公司創始人兼CEO王世明是原西安交大長春3D打印創新中心負責人、3D打印高級工程師；程康是公司首席設備技術官，曾任長春3D打印創新中心研發總監；楊康是公司首席電池技術官，中山大學高分子化學與物理學博士，曾參與多項國家級新能源電池科研項目。目前公司共有15名員工。

小結

世界各地的公司逐步開發和建立更好的電池制造工廠，不僅是解決當前的安全問題，而且還需要滿足國內制造、確保材料采購和促進可持續性的需求。盡管向成熟行業引入新的制造方法是一項挑戰，但在未來幾年，3D打印可能會通過提供制造靈活性、大規模定制、更環保的材料和更快的上市速度來超越傳統方法。

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