通過多種不同技術(shù)3D打印電池技術(shù)解析

來源：電子工程3D打印  

導(dǎo)讀：能量存儲是移動電子產(chǎn)品必不可少的一部分，對于尺寸小而儲蓄能量大的電池一直是市場所追求的。這些年來，大量的工作都集中于開發(fā)電極材料，電解質(zhì)、胞體結(jié)構(gòu)及新的制造方法，目的在于提高電池的電化學(xué)性能，減少制造成本及擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。

同時，3D打印正在改變我們的世界，且這項技術(shù)發(fā)展的非常快，很快變成下一代3D打印能量結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，幾乎任意形狀的電池和超級電容可以被打印出來。直到現(xiàn)在，制造商不得不根據(jù)商業(yè)電池的形狀和尺寸來設(shè)計他們的電子產(chǎn)品，而且電池占據(jù)了現(xiàn)代電子產(chǎn)品大部分空間。大多數(shù)電池都是圓柱或者四方體的形狀，被優(yōu)化成紐扣狀或者袋式。因此當(dāng)制造商在設(shè)計產(chǎn)品過程中，他們必須為電池預(yù)留一定的尺寸和形狀，這樣可能會浪費空間和限制設(shè)計想法。對于下一代柔性電子而言將會面對越來越多這樣的設(shè)計問題。

最近在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表的“Additive Manufacturing of Batteries”對于通過不同技術(shù)3D打印電池作出了全面的概述，包括了基于光刻技術(shù)的3D打�。⊿LA）、基于模板輔助電沉積的3D打印、噴墨打印、直寫技術(shù)、熔融沉積及氣溶膠噴射技術(shù)等。

3D打印電池概覽（電極材料、電解質(zhì)材料、打印技術(shù)）

作者同樣針對每種打印技術(shù)討論了其工作原理、打印工藝、優(yōu)勢及局限性，并強調(diào)了打印電池的電極材料及電解質(zhì)材料。作為一項先進(jìn)的制造技術(shù)，3D打印已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于制造復(fù)雜物體，通過數(shù)字化控制沉積相變材料、活化材料及基于溶劑的油墨。制造方法通常是通過設(shè)計三維虛擬模型，應(yīng)用專用軟件將三維模型切片成為二維截面。通過后續(xù)打印二維截面圖形，層層堆積，一個完整的3D打印物體最終被制造出來。

3D打印微電池

這張圖片向我們展示了交錯堆積的電極，通過3D打印一層接一層來創(chuàng)建電池的陽極及陰極，這個電池的尺寸只有一粒沙子那么大。具體細(xì)節(jié)可在《3D Printing of InterdigitatedLi-Ion Microbattery Architectures》文章中查看。

有好幾種3D打印技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)并已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。1）材料擠出；2）粉床熔融；3）光固化；4）材料噴射；5）噴射粘結(jié)劑；6）片體層壓；7）直接能量沉積。

當(dāng)應(yīng)用于電池制造時，對比傳統(tǒng)電池制造技術(shù)3D打印具備幾項非常重要的優(yōu)勢：1）可以制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)；2）精確控制形狀和電極厚度；3）打印固態(tài)電解質(zhì)具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及更安全的操作性。4）潛在的低成本、環(huán)境友好性及易操作性；5）可能會減少通過集成電池和其他電子器件組裝和封裝的環(huán)節(jié)。

對于未來設(shè)計的重要性在于3D打印可以制造新穎的3D結(jié)構(gòu)電極，具備更大的表面和更高的裝填密度，可以為離子傳輸提供更短擴(kuò)散通道和更小的阻抗以提高能量密度和功率密度。至于持續(xù)性和環(huán)境影響方面，3D打印可以很大程度上減少材料浪費及加快制造進(jìn)程，原因在于其相對簡單的制造工藝。

總得來說，3D打印為高性能及復(fù)雜形狀的3D結(jié)構(gòu)電池的制造開創(chuàng)了新的途徑。盡管考慮到準(zhǔn)備條件、材料以及工藝的兼容性問題，并不是所有的3D打印技術(shù)和現(xiàn)有的傳統(tǒng)材料適合于3D打印電池。文章中通過大量對比3D打印電池技術(shù)方面優(yōu)劣，具體見下圖所示。

基于電池打印，不同3D打印技術(shù)的對比

目前鈦酸鋰和磷酸鐵鋰是3D打印電池中最常用的陽極和陰極材料，其展示出最小的體積膨脹、大電流能力、高穩(wěn)定性及安全性。

碳納米材料對于3D打印電池的電極材料是值得期待的一組材料。例如還原性氧化石墨烯和石墨烯已經(jīng)應(yīng)用于3D打印極速超級電容器。碳納米管和納米纖維已經(jīng)是非常流行的打印材料，歸因于它們高機(jī)械強度、高化學(xué)穩(wěn)定性及大比表面積，及其優(yōu)異的電/熱性能。

緊接著電極材料，電解質(zhì)材料是電池最重要的部分，它作為催化劑可以使離子在充電時從陰極到陽極的運動，放電時向相反的方向運動。電解質(zhì)在電池的電化學(xué)性能、充放電次數(shù)、安全性方面扮演著決定性的角色。

在持續(xù)發(fā)展的3D打印技術(shù)中，電池的電解質(zhì)可以直接被打印出來減少制造工序，制造時間及生產(chǎn)成本。

總之，盡管在3D打印電池方面已經(jīng)取得了很多進(jìn)步，但是仍然面臨很多挑戰(zhàn)需要在其應(yīng)用于商業(yè)用途被解決。這些挑戰(zhàn)包括現(xiàn)用的可打印材料很少，尤其是可以用于3D打印電池的活性材料。而且，大多數(shù)現(xiàn)有針對3D打印電池主要集中于電極材料和電解質(zhì)。然而盡管其作為電池的重要組成部分，對于現(xiàn)有的集電極材料3D打印性卻很少有人調(diào)研過。此外，對于全尺寸的3D打印電池，每個部件打印油墨的兼容性仍然是個很大的挑戰(zhàn)。我們期望隨著3D打印技術(shù)、材料的持續(xù)發(fā)展，3D打印電池的耐久性、安全性、及高能量/功率密度，將會使其在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。



由西安瑞特三維科技有限公司研發(fā)的雙微筆直寫3D打印設(shè)備（型號：JD200Pro），可以實現(xiàn)兩種粘態(tài)材料的在線同時打印（直寫+直寫），此外其微筆頭可以與標(biāo)準(zhǔn)的FDM打印頭進(jìn)行互換（FDM+直寫），非常有利于3D打印電池的研發(fā)制造。歡迎有感興趣的朋友聯(lián)系咨詢~

JD200Pro型設(shè)備

下圖是文章中分別采用微筆直寫技術(shù)和FDM技術(shù)制造電池的案例。

微筆直寫打印電池（來源于文章：Additive Manufacturing of Batteries，如有侵權(quán)聯(lián)系刪除）

FDM打印電池（來源于文章：Additive Manufacturing of Batteries，如有侵權(quán)聯(lián)系刪除）

備注：本文正文部分為的Michael Berger文章的譯文。