用3D打印完成電動汽車鋰電池，是天方夜談嗎？

來源：TCT亞洲視角


據(jù)Jennifer A. Lewis回憶，最初將3D打印用在新能源車載鋰電池上大顯身手的靈感，是一次與Shen J. Dillon的討論中產(chǎn)生的，兩人一致認為，這個想法在理論上是行得通的，于是共同開始針對這個項目進行研究工作。

Photocentric的LC Maximus機器

2013年，Lewis進入哈佛大學并發(fā)表論文《3D打印交叉式鋰離子微電池架構》，該論文受到了幾家電池公司的關注。Lewis和她的團隊研究展示了一種3D打印技術，以絲狀形式對功能墨水進行圖案化，尺寸可以小至1微米。

油墨的成分和流變性也進行了優(yōu)化，以確保它們能夠流經(jīng)沉積噴嘴，電池電極的打印厚度約為30微米，同時，材料還需要具有結(jié)構完整，能承受干燥和燒結(jié)，而不會分層或變形。在配制了這些材料之后，他們開辟出了3D打印的新天地。

Lewis表示：“一個由3D打印完成的電池，從一開始就不是我們想要的最終結(jié)果。重要的是，我們發(fā)現(xiàn)這種電池性能類似于散裝電池，微尺度打印的能力絲毫沒有降低性能，使創(chuàng)造小電池成為可能。我們正在嘗試打印一種功能電池，它只有一粒沙子的大小，卻可多次充電�！�

幾年后，針對3D打印鋰電池的討論蔓延到了英國，Photocentric公司總經(jīng)理Paul Holt與化學研發(fā)部負責人Sarah Karmel博士也在討論電池內(nèi)的能量密度，思考3D打印在此類應用中的功效，并與行業(yè)合作伙伴取得聯(lián)系。2020年9月，公司成立了一個專門研究3D打印電池的部門，啟動多個項目來探索電極的架構、結(jié)構和制造。

△化學研發(fā)部負責人Sarah Karmel博士

Karmel博士表示：“厚電極的概念已經(jīng)存在一段時間了，它們是獲得高能量密度電池的最簡單方法。問題是厚的電極阻礙了鋰離子的流動。但我們可以通過設計孔隙率和鋰離子流動通道來解決這個問題，3D打印就是最好的解決方法�！�

與此同時，遠在美國的Lewis的團隊已經(jīng)證明了打印電池的正負極的能力，打印了所有的電池組件，這是他們創(chuàng)造應用方向的動機。

△鋰離子電動汽車電池

Lewis 解釋道：“有了這種能力就能超越微型電池。當我們第一次用3D打印做這個項目時，其中一個驅(qū)動因素是，你可以制造出紐扣電池、淤泥圓筒、薄膜微電池，但是你沒有其他選擇。電池制造商通過用3D打印技術來制造特定形狀的電池,比如你有一個助聽器，想要在助聽器里用不到的空間都裝上電池，你可以打印一個不同形狀的三維電池，這樣不僅提高體積效率，而且為電池開辟設計空間�！�

這也是Photocentric進軍電池領域的關鍵動機。該公司主要利用LCD屏幕3D打印技術推動研究工作。雖然大部分技術是由IP保護的，但Karmel博士簡單介紹了公司的LC Maximus機器，該設備由920 x 510 x 800毫米的構建體積和43英寸液晶屏幕構成。

同時還有一臺帶有90英寸LCD屏幕的原型機，另一個名為LC Nano的原型系統(tǒng)精度可降至20微米。Photocentric將這些機器與“特定類型的光聚合物基質(zhì)” 結(jié)合起來，據(jù)說這種基質(zhì)具有非常高的活性電極材料負載量。


該公司目前正在參與三個項目，第一個項目集中于固體電池單一致密電極的設計;第二個是電極的結(jié)構和結(jié)構;第三個是探索電極制造的方法。Photocentric的目標是開發(fā)可商業(yè)化、大規(guī)模使用的電池。他們認為電動汽車市場迫切需要3D打印電池為其帶來的優(yōu)勢。

Karmel 說：“電動汽車的重量平均是2到3噸，如果能制造更輕的電池，這將是一個巨大的轉(zhuǎn)變。更快的充電能力和更高的能量密度，可以使電動汽車續(xù)航更久。不僅僅是電動汽車，如果一臺無人機裝上更輕的電池，就能飛的更久。對于這些輕量化應用，電池的形狀會有很大的不同�！�

在全球氣候危機和政府推動減少碳排放的行動中，電動汽車市場增長迅速。到2030年，歐盟的目標是至少有3000萬輛零碳排放汽車，而英國在去年10月宣布，計劃在逐步停止汽油和柴油汽車的銷售。Photocentric公司相信其光聚合物 3D 打印技術夠滿足這類市場所需的電池設計原則。與此同時，Lewis看到了另一個轉(zhuǎn)機-混合功能。

Lewis認為，在3D打印電池方面，目前還落后于學術界至少10年，而且發(fā)展緩慢。但類似Photocentric、Addionics、Blackstone以及Sakuu這樣的公司的出現(xiàn)，讓Lewis對商業(yè)3D打印電池的發(fā)展空間信心十足。

Lewis最后總結(jié)道：“3D打印技術在電池的形狀或外形方面開辟了設計空間，提供了更多的結(jié)構復雜性，如果考慮將它們不僅用于能源存儲，并且用于結(jié)構元素，允許將多種材料共同打印在一起，會進一步打開設計的空間，鋰電池的體積內(nèi)會儲存更多的能量。我的實驗團隊目前的研究來看，我們只是觸及了皮毛，未來的發(fā)展空間相信大家都很期待！”