2021年2月10日，南極熊獲悉，來(lái)自加州理工學(xué)院（Caltech）的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法。

研究人員利用DLP 3D打印技術(shù)，制造出復(fù)雜的聚合物結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結(jié)構(gòu)分別被證明可以作為陽(yáng)極和陰極使用，并稱具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學(xué)院研究生Kai Narita解釋說(shuō)：“已知聚合物的熱解會(huì)導(dǎo)致碳的形成。我們的方法利用這一現(xiàn)象來(lái)制造3D打印碳材料。我們使用一種市售的光刻膠與DLP數(shù)字光處理工藝打印來(lái)創(chuàng)建3D聚合物結(jié)構(gòu)，然后在1000？C的溫度下熱解，將其轉(zhuǎn)化為碳的結(jié)構(gòu)?！?/p>

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來(lái)，鋰離子電池已成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的一部分，為從消費(fèi)電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動(dòng)力。因此，在電化學(xué)領(lǐng)域，有大量的研究專門針對(duì)提高儲(chǔ)能設(shè)備的容量，同時(shí)使其更小、更便宜、更快充電。

除了可以讓我們的手機(jī)續(xù)航更長(zhǎng)之外，更好的電池對(duì)氣候變化也有重大影響，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭鷾p少對(duì)化石燃料的依賴，而促進(jìn)可再生能源的使用。遺憾的是，電動(dòng)汽車以及風(fēng)能和太陽(yáng)能電網(wǎng)儲(chǔ)能等應(yīng)用，即使是最前沿的技術(shù)，也仍然受到目前能量密度和充電速率的限制。

在傳統(tǒng)的平面電極鋰離子電池中，能量密度（可存儲(chǔ)的能量量）和功率密度（能量釋放率）往往是耦合的。例如，增加電極的質(zhì)量將增加其能量密度，但由于電極厚度的增加，離子和電子被迫在放電前移動(dòng)更多的距離，從而降低其功率密度。如果將這種關(guān)系解耦，儲(chǔ)能設(shè)備的能量密度和功率密度都可以同時(shí)提高。這就是3D打印的作用。

3D打印幫了大忙

雖然近年來(lái)3D打印實(shí)際上已經(jīng)開(kāi)始探索應(yīng)用，但之前的嘗試主要依靠納米油墨擠出，這并不適合高分辨率的零件。而光聚合則解決了分辨率的問(wèn)題，但由于它是基于聚合物化學(xué)的，所以通常與電極材料不兼容。

利用DLP-熱解技術(shù)，加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)烧叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極。由于這項(xiàng)技術(shù)能夠打印出厚厚的電極結(jié)構(gòu)與微觀和納米大小的子結(jié)構(gòu)，為高性能電池生產(chǎn)的新方法鋪平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授總結(jié)道：“創(chuàng)建3D打印電極，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸以及材料進(jìn)行完全控制，使我們更加接近可擴(kuò)展的、可靠的固態(tài)電池制造方法，這種方法安全、機(jī)械堅(jiān)固、高效?！?/p>

更多的研究細(xì)節(jié)可參見(jiàn)《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

《3D打印固態(tài)電池：能量密度提高1倍，充電速度提高6倍，下一代電動(dòng)汽車技術(shù)》

南極熊導(dǎo)讀：3D打印固態(tài)電池在2021年即將在德國(guó)量產(chǎn)！能量密度提高1倍，充電速度提高6倍！優(yōu)先配套德國(guó)龐大的汽車制造業(yè)。寶馬/奔馳/大眾/奧迪/保時(shí)捷等廠商，在電動(dòng)汽車時(shí)代有翻身的機(jī)會(huì)嗎？

2021年1月，南極熊3D打印網(wǎng)獲悉，瑞士Blackstone Resources（黑石資源 ）公司的專有3D打印鋰離子固態(tài)電池技術(shù)，取得了一系列重要的突破。它一直通過(guò)德國(guó)子公司Blackstone Technology GmbH投資于下一代電池技術(shù)。包括獲得專利的3D打印技術(shù)和對(duì)電池批量生產(chǎn)的研究。恰好的是，德國(guó)是全球3D打印技術(shù)最為發(fā)達(dá)的國(guó)家之一。

與目前的鋰離子電池技術(shù)相比，3D打印固態(tài)電池具有將能量密度提高一倍，制造成本降低一半的潛力。

3D打印固態(tài)電池的比較優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前最先進(jìn)的電池生產(chǎn)面臨的一些弱點(diǎn)：

不夠靈活，無(wú)法支持必須與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相匹配的組件設(shè)計(jì)

它仍然太昂貴（目標(biāo)：《80US $ / kWh）

不適用于未來(lái)的設(shè)計(jì)，例如全固態(tài)電池

提供的能量密度仍然太低（目標(biāo)：600英里且》 300Wh / kg）

原材料仍然不安全

碳排放仍然太高

△3D打印的“多孔”電極可提高能量密度。

可以將電極中的材料打印成三維晶格結(jié)果。晶格意味著電極具有更大的暴露表面積，增大化學(xué)反應(yīng)面積，電池效率更高。另外，3D打印電池模塊不需要多余的物質(zhì)即可以實(shí)現(xiàn)一體化。想象一下，特斯拉85kWh電池組由7104個(gè)電池組成，將7104塊電池粘合在一起的膠水和電線的重量相當(dāng)大了。但是如果這些變成是增材制造過(guò)程的一部分，而不是多余的材料，能量密度將大大提高。

與使用液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)電池設(shè)計(jì)相比，Blackstone Technology的3D打印工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)。顯著降低成本，提高電池尺寸的生產(chǎn)靈活性，可以不依賴電極化學(xué)性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)。

Blackstone的3D打印固態(tài)電池技術(shù)，解決了這些弱點(diǎn)：

3D打印鋰離子電池生產(chǎn)已經(jīng)成熟，且有專利，在生產(chǎn)過(guò)程中可提供最大的靈活性;

可節(jié)省30%的CAPEX和10%的OPEX，而采用固態(tài)技術(shù)時(shí)，可節(jié)省70%的CAPEX和30%的OPEX;

世界上第一個(gè)3D打印生產(chǎn)工藝，可以批量生產(chǎn)固態(tài)電池;

可將能量密度提高20%，用固態(tài)技術(shù)時(shí)可提高100%;

利用自身資源來(lái)縮短供應(yīng)鏈，并確保長(zhǎng)期獲取電池材料;

通過(guò)將干燥過(guò)程減少50%，可將能源消耗降低25%，這是電池組電池最重要的制造成本——占總能源成本的45%至57%。

黑石技術(shù)有限公司CEO霍爾格·格里茨卡（Holger Gritzka）表示：“我們迄今為止在3D打印電池技術(shù)方面的發(fā)展，為固態(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路。除了汽車工業(yè)等主要市場(chǎng)之外，船舶應(yīng)用和新型5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)也將會(huì)受益于3D打印固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

埃隆·馬斯克（Elon Musk）承認(rèn)獲得下一代電池技術(shù)以及生產(chǎn)這些電池所需的原材料的重要性。即使采用減少電池材料量的新技術(shù)，電動(dòng)汽車的需求也可能很快超過(guò)這些車輛所需的電池材料量。

馬斯克預(yù)計(jì)，下一代電池將使用更少的電池金屬（例如鈷），而使用更多的鎳和鋰。實(shí)際上，隨著特斯拉與大型汽車制造商的入局，所有這些金屬的需求可能會(huì)大幅增加，大型汽車制造商也開(kāi)始推出電動(dòng)汽車，并計(jì)劃把全部汽車都電動(dòng)化。

3D打印固態(tài)電池正在量產(chǎn)

Blackstone Resources開(kāi)發(fā)并測(cè)試了3D打印電池，獲得歐洲“地平線2020”計(jì)劃資助，在電池密度，充電周期和成本方面均取得了顯著成績(jī)。這家瑞士公司還開(kāi)發(fā)了一種工作流程，可使用專有的電池打印技術(shù)在2021年以各種形狀或形式來(lái)批量生產(chǎn)這些電池，充電速度最大可以提高大約六倍。

2020年11月，黑石在德國(guó)德貝恩鎮(zhèn)薩克森州的Am Fuchsloch工業(yè)園區(qū)開(kāi)設(shè)了第一家3D打印電池生產(chǎn)工廠，配套德國(guó)的汽車制造業(yè)，將大量生產(chǎn)用于工業(yè)應(yīng)用以及電動(dòng)汽車的下一代電池。首期工廠的生產(chǎn)能力將達(dá)到每年0．5 GWh。

相關(guān)知情人告訴南極熊3D打印網(wǎng)，首批固態(tài)電池原型已經(jīng)過(guò)測(cè)試，3D打印大量生產(chǎn)所需的許多電池復(fù)合材料、外殼和固態(tài)電解質(zhì)。在開(kāi)發(fā)和測(cè)試了這項(xiàng)技術(shù)之后，Blackstone準(zhǔn)備計(jì)劃生產(chǎn)3D打印的固態(tài)電池。這會(huì)改變固態(tài)電池的發(fā)展。自動(dòng)化3D打印生產(chǎn)工藝，比傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)工藝減少了70%的固定投資。固態(tài)電池也更安全，不使用對(duì)環(huán)境更有害的易燃液體電解質(zhì)。

除黑石集團(tuán)外，現(xiàn)在還有眾多公司爭(zhēng)相角逐下一代電池技術(shù)。在下一代技術(shù)（包括固態(tài)電池和新的先進(jìn)制造技術(shù)）方面，這些公司可能會(huì)擊敗特斯拉。

利用3D打印工藝技術(shù)，美國(guó)Keracel能夠?qū)⑻沾呻娊赓|(zhì)厚度降低到100um，長(zhǎng)期目標(biāo)是達(dá)到15um。這些技術(shù)進(jìn)步將使Keracel陶瓷電池能夠提供1200Wh/L的能量密度，這大約是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的兩倍，并且能夠滿足工業(yè)和汽車企業(yè)應(yīng)用中高倍率需要。

當(dāng)然，對(duì)于特斯拉來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣蓛r(jià)高，資本充足，可以通過(guò)有針對(duì)性的收購(gòu)迅速加快步伐。

責(zé)任編輯：haq