3D打印電池電極助力新能源汽車發(fā)展

導(dǎo)讀：傳統(tǒng)的電池電極是需要依賴模具工藝進(jìn)行制造，在外觀設(shè)計和復(fù)雜形狀的開發(fā)上存在著很大局限性。采用3D打印電極開啟了電池/電池組具備多變幾何形狀的新時代，以及更高的電池能量密度和性能。2021年5月18日，南極熊了解到，Photocentric公司通過光聚合實現(xiàn)對電池電極結(jié)構(gòu)的精確控制，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。

△新能源汽車電池組。照片來源Photocentric

2020年11月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，要求深入實施發(fā)展新能源汽車國家戰(zhàn)略，推動中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，加快建設(shè)汽車強國�？梢哉f交通工具的未來將是新能源汽車（EVs）的天下，而新能源汽車的核心是電池。然而，以目前用于制造電池的方法，改善電池性能的選擇是有限的。

有多有限？電池電極通常是通過將活性材料的漿液滑鑄成片狀、沖出袋狀或幣狀電池，然后將這些電池排列在一個長方形或圓柱形的外殼內(nèi)。用這種方法制造更強力的電池需要制造更厚的電極，以及通過將電極堆疊在一起制造更大的電池，但這種構(gòu)型很容易導(dǎo)致有問題的部分開裂。因此，對更好性能的追求往往產(chǎn)生更重、更龐大的電池組，卻不能為特定產(chǎn)品提供最佳效率或范圍。

Photocentric公司的化學(xué)主管Sarah Karmel認(rèn)為這樣的電池設(shè)計沒有靈活性，目前她們公司也正在尋求相應(yīng)的解決方案。這是一家位于英國的立體光刻式3D打印機供應(yīng)商，致力于探索為電動車和其他電池供電的產(chǎn)品（如無人機）提供3D打印電極的前景。他們認(rèn)為以任何形狀和配置制造的增材制造電極可以為電動汽車打開新大門，使其充電更快，重量更輕，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為更好的續(xù)航能力，并幫助克服當(dāng)前此類車輛發(fā)展的限制因素。

△Sarah Karmel，Photocentric的化學(xué)部門負(fù)責(zé)人

用于優(yōu)化電池電極結(jié)構(gòu)的3D打印


增材制造（AM）已經(jīng)為其他行業(yè)和應(yīng)用帶來了幾何形狀自由。想想看，噴氣燃料噴嘴現(xiàn)在只是一個零件，而不是20個零件，亦或是新能源汽車的結(jié)構(gòu)部件，其重量是傳統(tǒng)形狀和焊接的一半。3D打印電池的能力也將帶來幾何形狀上的自由，允許電池和電池組的設(shè)計適合產(chǎn)品，而不是強迫產(chǎn)品適應(yīng)傳統(tǒng)的電池組。這是一個重大的變化，可以為電動車設(shè)計帶來新的自由，但這僅僅是個開始。

Karmel認(rèn)為電動車電池的靈活性并不局限于電池或電池組的整體形狀，而在電極本身，即共同構(gòu)成電池單元的陽極和陰極中，還可以找到更多的設(shè)計機會。通過與模擬工程領(lǐng)域伙伴的合作，Photocentric正在擴展設(shè)計和3D打印以前不可能實現(xiàn)的優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)。

△傳統(tǒng)的電池電極結(jié)構(gòu)（左）限制了陽極和陰極的可能配置。3D打印架構(gòu)（右）允許創(chuàng)新設(shè)計，如增加能量密度的夾層電極

Karmel說：“電極以不同的方式一起工作，這些新的架構(gòu)支持能量密度更高的電池，可以占據(jù)更小、幾何上更靈活的空間。例如，陽極和陰極可以被制成夾層，以產(chǎn)生比堆疊配置的電池更多的能量密度和效率。”

3D打印工藝使改變電極的微觀結(jié)構(gòu)以獲得更好的性能成為可能。微觀的多孔結(jié)構(gòu)為離子的游走提供了路徑，從而增加了離子流和更大的體積能量密度。因此，同樣的功率可以從更小、更輕的電池中實現(xiàn)，它可以被制成更多的配置，以精確地適應(yīng)車輛或應(yīng)用。更多的孔隙也為離子提供了更多的通道，這有助于提高電池電極的能量密度。

△3D打印電池電極的微觀孔隙

用光聚合法制造電池

這些3D打印電池的過程與用光聚合工藝制造其他任何部件相似。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。Photocentric公司實際上已經(jīng)開發(fā)了一個獨立的3D打印電池系統(tǒng)，部件從打印到清洗和后處理都是自動進(jìn)行的，避免了污染或損壞脆弱電極的風(fēng)險。

△Photocentric 3D打印機

Photocentric公司這項可能對新能源汽車產(chǎn)生影響的3D打印電池項目也與它自身運營中追求可持續(xù)發(fā)展的理念相吻合。Photocentric公司的3D打印機依靠可見光而不是紫外光來固化光聚合物部件，這意味著機器的運行能耗更低。來自可再生資源的新型環(huán)保材料和回收工作也在進(jìn)行中。

迄今為止，這家公司所在使用的電極材料包括氧化鈷鋰（LCO）和鈦酸鋰（LTO），Karmel表示公司平臺不受限于材料，也可以支持其他既定的電池化學(xué)。Photocentric公司現(xiàn)在的目標(biāo)是找到能夠提供最佳化學(xué)成分和最有用的幾何形狀的行業(yè)合作伙伴，并在汽車上展示其3D打印電池。

在此，南極熊不禁要問到：我們可以在實驗室里打印出有效的電池，但現(xiàn)在的問題是它在設(shè)備中的表現(xiàn)如何？如果使用成功，3D打印的電池電極可以為更輕的新能源汽車奠定基礎(chǔ)，提供更好的續(xù)航能力，而不改變電池組的尺寸。或者為更小的電池組提供更方便的形狀和配置，可以提供與今天的大型重電池陣列相同的續(xù)航能力。南極熊倒很是期待著這種3D打印電極結(jié)構(gòu)的實用化，畢竟更好的電池性能可以提高新能源汽車的使用率，也會指向更環(huán)保的交通模式。