鋰電池不夠小不夠強(qiáng)的問(wèn)題，借助3D打印來(lái)解決

來(lái)源：中關(guān)村在線

二十一世紀(jì)，鋰離子電池是我們生活方式的一項(xiàng)“使能技術(shù)”。什么是“使能技術(shù)”技術(shù)？維基百科的定義：使能技術(shù)是指能夠?qū)τ脩舻哪芰�或文化產(chǎn)生根本性變化的發(fā)明或創(chuàng)新，其最明顯的特征是一般會(huì)在不同領(lǐng)域快速形成衍生技術(shù)。這些能量包使移動(dòng)電話、電動(dòng)汽車、筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人和遙控傳感器等都成為可能。也許并不奇怪，2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者正是鋰離子電池開(kāi)發(fā)人員。2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)固體物理學(xué)家約翰·巴尼斯特·古迪納夫、英國(guó)化學(xué)家斯坦利·威廷漢和日本化學(xué)家吉野彰，以表彰他們發(fā)明鋰離子電池方面做出的貢獻(xiàn)。

材料科學(xué)家迫切需要更好的電池，用于物聯(lián)網(wǎng)、下一代個(gè)人設(shè)備等。更好的電池也將被要求用于存儲(chǔ)太陽(yáng)能和風(fēng)能，從而讓構(gòu)建一個(gè)零化石燃料使用的社會(huì)成為可能。

電池性能的好壞是由許多不同因素決定的，能量密度是至關(guān)重要的，保持電荷而不泄漏的能力也很重要，成千上萬(wàn)次的充電能力以及安全性等都會(huì)影響電池性能。能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置非常清楚這種平衡行為是多么微妙。電池制造商在嘗試新方法時(shí)非常謹(jǐn)慎，以免造成性能下降。還有更好的改善電池的方法嗎？現(xiàn)在我們需要的大改進(jìn)可能來(lái)自哪里呢？

愛(ài)爾蘭科克大學(xué)的弗拉基米爾埃戈羅夫（Vladimir Egorov）和他的一些同事得到了一個(gè)答案：未來(lái)的電池將通過(guò)3D打印技術(shù)制造，3D打印將使新一代更小、更強(qiáng)大的電池的出現(xiàn)成為可能。

3D打印即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印是各種技術(shù)的總稱，這些技術(shù)允許通過(guò)逐層添加材質(zhì)來(lái)構(gòu)建三維對(duì)象。它可以成為一種設(shè)計(jì)測(cè)試原型的方法，可以打印異國(guó)情調(diào)的食物，替換身體部位，甚至整個(gè)建筑物。并行使用多臺(tái)打印機(jī)，可以大規(guī)模生產(chǎn)汽車、飛機(jī)零件和鞋子等物品。

材料科學(xué)家也開(kāi)始嘗試用聚合物墨水和銀聚合物來(lái)打印電子線路的方法，因此不再需要焊接。這樣，電路板就可以或多或少地呈現(xiàn)出任何形狀，甚至可以構(gòu)成設(shè)備結(jié)構(gòu)的一部分。然而，一個(gè)重要的限制是需要應(yīng)用特定的尺寸和形狀的電池。打印3D電池的能力將改變這一點(diǎn)。Egorov和co說(shuō)：“如果為了美觀、舒適或功能性的原因，可以將它們無(wú)縫集成到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，那么在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就不需要容納體積更大、形狀固定的標(biāo)準(zhǔn)電池�！�。

然而說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。電池中使用的電活性材料具有固有的反應(yīng)性，陽(yáng)極和陰極等結(jié)構(gòu)在物理上是復(fù)雜的。它們通常必須像晶體一樣有序，有時(shí)像分子海綿一樣多孔。它們必須始終具有良好的化學(xué)特性。無(wú)論是通過(guò)固體或液體的擠壓，還是通過(guò)液體的聚合，創(chuàng)建適合3D打印的這些材料都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。一旦打印出來(lái)，這些材料必須保持它們之間的電氣連接，嚴(yán)格控制組件之間發(fā)生的任何化學(xué)反應(yīng)，并確保電池可以在多個(gè)周期內(nèi)充放電。

最重要的是，電池必須是安全的。所有的電池都必須通過(guò)嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，才能用于家庭、汽車、飛機(jī)等。電池泄漏會(huì)造成昂貴的損壞。但最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)是火災(zāi)。

即使所有這些挑戰(zhàn)都能克服，另一個(gè)問(wèn)題也迫在眉睫。3D電池會(huì)比現(xiàn)有的設(shè)計(jì)更有效嗎？Egorov和co全面概述了電池行業(yè)在打印未來(lái)電源組方面所面臨的材料、方法和挑戰(zhàn)問(wèn)題。但評(píng)論家們忽略了未來(lái)電池設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要元素，即3D打印可以發(fā)揮重要作用。

電池行業(yè)面臨的最大和最重要的挑戰(zhàn)之一是使其產(chǎn)品可回收利用。今天的電池是專門(mén)設(shè)計(jì)的，所以它們不容易被拆開(kāi)，所以再利用它們所含的有價(jià)值的材料幾乎是不可能的。所以很需要改變。目前的想法是，電池必須從設(shè)計(jì)開(kāi)始就考慮到回收利用，這將需要電池設(shè)計(jì)師具有一個(gè)全新的思維態(tài)勢(shì)。3D打印允許的靈活性有可能啟動(dòng)并加速這一急需的革命。

3D打印技術(shù)已經(jīng)很成熟，成功的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但一些專家指出，用3D技術(shù)用來(lái)生產(chǎn)鋰離子電池或許不太現(xiàn)實(shí)，用來(lái)打印一些鋰電池模型或許更為合適。3D打印鋰電池是否可行，讓我們拭目以待！