鋰電池也能3D打印？

3D打印技術最早出現在20世紀90年代中期，與普通打印工作原理基本相同，打印機內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，最終把計算機上的藍圖以逐層打印的方式構造出實物的技術。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，該技術在珠寶、工業設計、汽車、航空航天、醫療產業、土木工程以及其他領域都有所應用。

3D打印電池實際上是由哈佛大學Jennifer A.Lewis領導的團隊于2013年6月提出的。該課題組研發了一種氣動式直寫3D打印機，并且利用該打印機分別打印了正極材料為LiFeP04，負極材料為Li4Ti5012的片狀交錯式的三維鋰離子電池。其原理是利用壓縮空氣作為動力源將打印漿料從噴嘴中以連續細絲的形式擠出，通過計算機輔助軟件控制噴頭進行三維運動，最終打印出鋰電池。打印出的電池分別為8層和16層，電化學性能測試結果顯示電池正負極的電導率分別為2.1×105Ω·cm和2.3×103Ω·cm，能量密度達到9.7J·cm-2，功率密度達到2.7mW·cm-2，表現出優異的電化學性能。

哈佛大學科學家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載量多孔電極技術的研究》）

3D打印電池優勢

（1）原材料易獲得，可以嘗試更多新型電池

已實現商業化或者尚處于實驗室階段的電池有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈉電池等，3D打印技術還能應用于如柔性電池、固態電池、燃料電池等技術的突破。

（2）設計更多復雜結構電池

3D打印技術電池能夠從微米尺寸進行設計，電池幾何結構設計自由度大大提高，甚至讓電池占據更少的車身體積，改良新能源汽車內部結構設計。

（3）提高能量密度

由于3D打印電池可以實現離子或者電子擴散路徑縮短，實現更高的功率能量密度、體積能量密度，提高續航能力。

（4）成本低、更安全

3D打印技術可以顯著減少材料浪費，并且節省潛在的生產耗時，通過直接集成電池和微型電子設備來減少組裝和包裝的步驟；另外，多孔電極結構使電芯內部散熱性更好。

3D打印電池產業化

（1）瑞士黑石公司

瑞士黑石公司在2020年11月已開設第一家位于德國的3D打印電池生產工廠，并且將結合德國的汽車制造業開發下一代電動汽車的動力電池研發。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電池，并且下一步黑石公司將專注于研發3D打印鈉離子電池技術，目標是在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的支持下，開發了3D打印鋰金屬固態電池。去年，Sakuu公司宣布開始建設鋰金屬固態電池生產試驗線，投產后每年將能生產高達2.5兆瓦時的固態電池。Sakuu公司表示，該試驗線是為了證明電池制造工藝的可行性，并向其戰略伙伴提供樣品產品。2022年6月，Sakuu宣布其3D打印鋰金屬陽極電池已經達到了基準設定的800Wh/L能量密度，經過廣泛測試后實現了連續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打印材料研發商，并擁有一種名為“UniMelt系統”的微波等離子生產工藝，能夠以快速、環保的形式生產電池材料。如果這種工藝應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·本特認為，6K Energy的機會在于，一方面未來10年鋰電池市場將會增長10倍，另一方面美國本土沒有鋰電池材料生產商。“這對國家安全和行業都是一個問題”。他還強調，得益于3D打印技術，6K Energy是唯一一家能以低于亞洲（生產商）的成本生產電池材料的公司。按照計劃，6K Energy將于今年8月開設其耗資3000萬美金的電池中心，推進第一個產能規劃為10-20GWh電池陰極工廠的選址，并于2024年初投產。

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

（4）英國Photocentric

2020年9月15日，英國3D打印機和材料制造商Photocentric宣布成立3D打印電池研究部門，致力于開發環保的3D打印電池，并表示會持續加大投資力度，優化3D打印燃料電池在汽車中的應用。2021年5月，Photocentric公司宣稱通過光聚合實現對電池電極結構的精確控制，已經為新能源汽車和更多的產品打開了新型電池幾何形狀復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行3D打印的，這種樹脂可作為商業電極粉末和導電添加劑的粘合劑。然后對生坯打印部件進行清洗和固化，接著進行脫膠和燒結，以去除聚合物，只留下活性電極材料。此外，公司開發了一個獨立的3D打印電池系統，部件從打印到清洗和后處理都是自動進行的，避免了污染或損壞脆弱電極的風險。

3D打印電極的工藝拓寬了電池和電池組幾何形狀的設計可能性，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打印創新中心孵化而來。公司擁有電極創新設計算法和電極材料微納3D打印等核心技術，能夠提升動力電池的安全性能、提高50%以上的能量密度、降低40%以上的生產成本。但是，交大高能并不直接制造電池，而是幫助電池企業制造出更好的電池--其產品是3D打印設備，以及為電池廠提供“數字化智造系統”。

交大高能3D打印電池產品（圖源：交大高能）

寫在最后

相比于歐洲、美國等3D打印電池企業已走上工業化的道路，我國3D打印電池技術水平尚且薄弱，產業仍處于孵化階段。

“海外的電池企業想顛覆中國供應商，而中國的中小電池企業也想顛覆頭部的電池巨頭，所以他們都關注3D打印技術在電池行業的應用”。交大高能創始人王世明表示。3D打印電池市場的醞釀期已經階段性結束，正在接近爆發期前夜，“海外已經有兩三家公司很快就將進入大規模量產階段”。與之相對應的是，中國的3D打印電池企業，包括交大高能已落后歐美1-2年，目前才完成驗證，正在建立示范生產線的階段。

中國制造了全世界一多半的動力電池，在技術、規模上處于領先地位，但這種領先也給了海外公司革新行業的動力。外國對手很清楚，利用現有的制造手段超越中國電池產業鏈的可能性較小，而他們擁有更好的創新土壤，就想通過顛覆性技術來實現趕超。因此，對于我國3D打印電池產業，期望盡快步入商業化生產道路，繼續占據全球電池企業市場頭部！

參考來源：

純電俠，《當動力電池用上3D打印技術，會引發怎樣的工業革命？》

創業邦，《汽車電池也能3D打印？這家新晉獨角獸不想活在“寧德時代”》

電池中國，《固態電池新時代！Sakuu將建3D打印固態電池試驗線》

劉奇等，《3D打印鋰電池的研究現狀及前景展望》

王曉燕等，《3D打印在新能源汽車制造領域的應用與發展趨勢》

許豐，《低溫直寫3D打印制備鋰離子電池高負載量多孔電極技術的研究》

注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！

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