3D打印新能源汽車電池市場(chǎng)潛力達(dá)千億元，能量密度可提升一倍

南極熊導(dǎo)讀：用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)鋰離子、鈉離子的新能源汽車電池，具有將能量密度提高一倍，制造成本降低一半的潛力，普通橋車的續(xù)航可達(dá)1500公里。這是一個(gè)千億元級(jí)別產(chǎn)值的應(yīng)用市場(chǎng)。希望引起中國的重視。

△汽車電池3D打印生產(chǎn)車間

△3D打印固態(tài)電池

在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，3D打印電池所展現(xiàn)出的高能量密度、可持續(xù)、輕量化等優(yōu)勢(shì)是電動(dòng)汽車市場(chǎng)迫切需要的。所以開發(fā)可商業(yè)化、大規(guī)模使用的3D打印電池將成為電動(dòng)汽車行業(yè)未來的新方向。南極熊本期文章概述了當(dāng)下全球3D打印電池在汽車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，相信這將給我們?cè)霾闹圃煲约捌囶I(lǐng)域的發(fā)展帶來一些新的啟示。

3D打印固態(tài)電池專家Sakuu聯(lián)手日本Musashi，推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展

Sakuu Corporation是一家總部位于美國加利福尼亞州的工業(yè)解決方案提供商，前身為KeraCel 公司，成立于2016年。Sakuu的3D打印平臺(tái)是一個(gè)用于靈活、經(jīng)濟(jì)高效地大量生產(chǎn)復(fù)雜功能設(shè)備的多材料、多方法3D打印解決方案。這使能源行業(yè)內(nèi)的制造商能夠改善成本、性能和當(dāng)前固態(tài)電池選件的范圍。

2019年5月份，Sakuu（也稱Keracel）公司宣稱在生產(chǎn)陶瓷固態(tài)鋰電電池方面取得了最新突破。同年8月，日本汽車零部件制造商Musashi Seimitsu Industry宣布與Sakuu建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，目標(biāo)是加速3D打印固態(tài)電池的發(fā)展。他們的計(jì)劃是首先將該技術(shù)應(yīng)用于摩托車行業(yè)，然后再去適應(yīng)更廣泛的汽車行業(yè)。

2021年6月17日，Sakuu Corporation宣布了三項(xiàng)專利：具有密封陽極結(jié)構(gòu)的混合固態(tài)電池、能夠創(chuàng)建有源設(shè)備（如微反應(yīng)器或固態(tài)電池）的增材制造系統(tǒng)，以及電子照相多材料3D打印機(jī)。

△Sakuu AM平臺(tái)內(nèi)部。照片來自Sakuu。

2021年7月28日，Sakuu Corporation宣布已開發(fā)出一種3Ah鋰固態(tài)電池 (SSB)，性能等同于或優(yōu)于當(dāng)前的鋰電池。Sakuú一直在開發(fā)第一代SSB電池技術(shù)及旗艦增材制造平臺(tái)，據(jù)稱平臺(tái)使用多材料粘合劑噴射工藝，并于2021年年底投入商業(yè)使用。第一代電池包括30個(gè)子電池，使用鋰金屬和陶瓷隔板。另外，電池設(shè)計(jì)使用當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)陰極材料（未來或許會(huì)使用支持更高電壓的陰極材料），可產(chǎn)生高達(dá)25%的能量。

△Sakuu的第一代固態(tài)電池。圖片由Sakuu提供。

2021年8月22日， Sakuu公司開始著手于建設(shè)一個(gè)新的試驗(yàn)設(shè)施，用于生產(chǎn)3D打印固態(tài)電池。據(jù)報(bào)道，這條試驗(yàn)產(chǎn)線于2021年底完成，投產(chǎn)后每年將能生產(chǎn)高達(dá)2.5兆瓦時(shí)的固態(tài)電池。在未來幾年，它還將作為該公司的多材料3D打印系統(tǒng)"Sakuu AM平臺(tái)"的客戶學(xué)習(xí)中心。工程公司Relevant Industrial和霍尼韋爾將通過提供工程、工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成支持來幫助建立該設(shè)施。

△Sakuu即將推出的試驗(yàn)生產(chǎn)線的效果圖。圖片來源于Sakuu公司

Sakuu公司一直致力于3D打印固態(tài)電池的開發(fā)和推廣。固態(tài)電池與目前主流的傳統(tǒng)鋰電池最大的不同在于電解質(zhì)。傳統(tǒng)鋰電池主要由正負(fù)極材料、電解液和隔膜組成。正負(fù)極材料決定了電池的容量，電解液及隔膜作為傳輸鋰離子的介質(zhì)。而固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)，替代了傳統(tǒng)鋰電池的電解液和隔膜。與鋰電池相比，固態(tài)電池更加安全、更高的理論能量密度和更高的體積能量密度。但是，固態(tài)電池也有一定的局限性，比如固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率低，不能快速充能；材料物理接觸會(huì)隨時(shí)間變差，影響使用壽命；制備工藝復(fù)雜。

△電池結(jié)構(gòu)示意圖

△電池性能對(duì)比

Sakuu的增材制造技術(shù)融合了粉末床和噴射材料沉積技術(shù)，并使用多種材料來制造零件。它結(jié)合了陶瓷和金屬以及Sakuu的PoraLyte支撐材料，消除了部件懸垂的限制，并能夠創(chuàng)建帶有內(nèi)部通道和腔體的設(shè)備。Sakuu說，這項(xiàng)技術(shù)較現(xiàn)有產(chǎn)品有著很大的飛躍，能夠制造薄單片層和完美介面，從而生產(chǎn)高能量密度固態(tài)電池（SSB）。此外，得益于粉末到粉末工藝，據(jù)說陶瓷和金屬材料的可回收性比傳統(tǒng)方法更容易，不需要提取石墨，也不需要聚合物，這意味著減少了垃圾填埋或焚燒。

△Sakuu電池3D打印使用了多重3D打印技術(shù)

Photocentric成立3D打印電池研究部門，為汽車定制燃料電池

2020年9月15日， 3D打印機(jī)和材料制造商photocentric宣布成立3D打印電池研究部門，致力于開發(fā)環(huán)保的3D打印電池，并表示會(huì)持續(xù)加大投資力度，優(yōu)化3D打印燃料電池在汽車中的應(yīng)用。在開展3D打印汽車電池研究之前，該公司的主要產(chǎn)品是感光樹脂材料，并擁有專利可見光聚合（VLP）3D打印技術(shù)。據(jù)該公司研發(fā)化學(xué)主管Sarah Karmel博士介紹，通過利用其專利3D打印技術(shù)，他們可以開發(fā)出具有更強(qiáng)儲(chǔ)能能力的定制汽車電池。

△Photocentric的目標(biāo)是開發(fā)3D打印電池，用于特斯拉的Giga工廠內(nèi)，圖片來自Photocentric

Photocentric公司一直認(rèn)為開發(fā)改進(jìn)的儲(chǔ)能設(shè)備，是世界上最重要的環(huán)境問題之一。目前市面上的傳統(tǒng)電池單元體積大、重量重，而且沒有針對(duì)汽車用途進(jìn)行優(yōu)化，這意味著汽車設(shè)計(jì)往往由可用性而非適用性決定。為實(shí)現(xiàn)汽車電池的低成本、大規(guī)模制造，Photocentric已經(jīng)制定了增材制造燃料電池的開發(fā)計(jì)劃，試圖將3D打印技術(shù)整合到電池生產(chǎn)過程中。

2021年5月18日，photocentric公司宣稱通過光聚合實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電極結(jié)構(gòu)的精確控制，已經(jīng)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。該公司3D打印電池的過程與用光聚合工藝相似，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(duì)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(shí)際上已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)獨(dú)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(dòng)進(jìn)行的，避免了污染或損壞脆弱電極的風(fēng)險(xiǎn)。
Photocentric公司這項(xiàng)可能對(duì)新能源汽車產(chǎn)生影響的3D打印電池項(xiàng)目也與它自身運(yùn)營中追求可持續(xù)發(fā)展的理念相吻合。該公司的3D打印機(jī)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(jī)器的運(yùn)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(tái)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。

△新能源汽車電池組。照片來源Photocentric

△3D打印電池電極的微觀孔隙

黑石公司開發(fā)3D打印固態(tài)電池

2020年9月23日，來自瑞士的黑石資源公司（Blackstone Resources AG）宣布在3D打印鋰離子固態(tài)電池方面取得了一系列具有里程碑意義的成績(jī)。同年11月，黑石在德國德貝恩鎮(zhèn)薩克森州的Am Fuchsloch工業(yè)園區(qū)開設(shè)了第一家3D打印電池生產(chǎn)工廠，配套德國的汽車制造業(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。更重要的是，該工廠的運(yùn)作也代表了3D打印電池工業(yè)化生產(chǎn)的“第一炮”。

據(jù)悉，黑石首期工廠的生產(chǎn)能力將達(dá)到每年0.5 GWh，到2025年，電池片的年產(chǎn)能達(dá)到3 GWh。這相當(dāng)于為7.5萬輛叉車供電，如果達(dá)到這一目標(biāo)，產(chǎn)量將逐步提高到每年10 GWh。該公司堅(jiān)信，它可以大量、低成本地生產(chǎn)出具有更高能量密度水平的可靠鋰離子電池，其目標(biāo)是使成本大大低于每千瓦時(shí)80歐元，這將代表存儲(chǔ)技術(shù)的最終突破。

在2021年4月，黑石德國子公司Blackstone Technology GmbH對(duì)外宣稱已成功打印并測(cè)試了首款可工作的固態(tài)電池，并展示了由Blackstone固態(tài)電池供電的LED燈。

△5x5平方厘米的袋式電池，帶有發(fā)光二極管

在2021年6月21日，Blackstone Resources AG（SWX：BLS）宣布將子公司Blackstone Technology GmbH的電池業(yè)務(wù)擴(kuò)展到美國市場(chǎng)，通過上市方式籌集額外資金。目前，黑石資源股份公司在瑞士證券交易所（Symbol BLS）上市，并已向黑石科技投入巨資。

黑石的3D打印電池計(jì)劃曾獲得歐洲“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)。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)。綜合來講，Blackstone的3D打印固態(tài)電池技術(shù)，具備以下優(yōu)點(diǎn)：
1)       3D打印鋰離子電池生產(chǎn)已經(jīng)成熟，且有專利，在生產(chǎn)過程中可提供最大的靈活性；
2)       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；
3)       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；
4)       可將能量密度提高20％，使用固態(tài)技術(shù)時(shí)可提高100％；
5)       利用自身資源來縮短供應(yīng)鏈，并確保長期獲取電池材料；
6)       通過將干燥過程減少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％。

△3D打印固態(tài)電池生產(chǎn)工作流程

毫無疑問，作為3D打印電池行業(yè)的引路人，黑石的3D打印電池技術(shù)將為固態(tài)電池的生產(chǎn)奠定重要基礎(chǔ)。
2021年12月7日，黑石公司在線上發(fā)布會(huì)上宣布首個(gè)大規(guī)模3D打印鋰電池工廠將開工生產(chǎn)。據(jù)悉，Blackstone Technology已將初始目標(biāo)年產(chǎn)能設(shè)定為500 MWh，預(yù)計(jì)將在2022年底前完成目標(biāo)。盡管尚未確定時(shí)間表，但增長計(jì)劃的第二階段目標(biāo)是每年5GWh，第三階段最終目標(biāo)是超過10GWh。

△位于德國Döbeln的新制造工廠。圖片來自Blackstone Technology。

△Blackstone Technology的3D打印鋰電池。圖片來自Blackstone Technology。

2022年3月，南極熊獲悉，Blackstone Resources宣布，預(yù)計(jì)最早于2025年將3D打印的鈉離子電池商業(yè)化。
Blackstone此前一直主要專注于3D打印鋰離子電池，現(xiàn)在他們已轉(zhuǎn)向鈉離子技術(shù)，這具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
●原材料易獲得
●制造過程環(huán)保
●制造過程更經(jīng)濟(jì)
●與傳統(tǒng)制造的電池相比，能量密度更高
●電池的安全性更高

Blackstone Technology的CEO說：“鈉離子技術(shù)代表了我們已經(jīng)處于下一代 3D 打印電池市場(chǎng)的領(lǐng)先地位，我們很高興再次為清潔能源和未來的碳中和交通做出創(chuàng)新和貢獻(xiàn)。”

國產(chǎn)3D打印電池技術(shù)企業(yè)交大高能獲百萬級(jí)人民幣種子輪融資

2021年5月11日，動(dòng)力電池?cái)?shù)字化3D打印解決方案提供商長春交大高能科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱：交大高能科技)宣布，獲得百萬級(jí)人民幣的種子輪融資，投后估值1000萬人民幣，由交大增智投資并孵化。

長春交大高能科技有限公司注冊(cè)在中韓國際合作示范區(qū)，擁有電極創(chuàng)新設(shè)計(jì)和復(fù)合材料微納打印等核心技術(shù)，專注于動(dòng)力電池?cái)?shù)字化3D打印技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，面向全球電池制造企業(yè)提供數(shù)字智造整體解決方案，是全球3D打印電池技術(shù)的創(chuàng)導(dǎo)者。作為全球首批進(jìn)行3D打印電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化企業(yè)，交大高能創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)擁有自主研發(fā)的Top-e電極創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)、3D打印電池技術(shù)和基于3D打印技術(shù)的數(shù)字智造解決方案，面向全球電池制造企業(yè)提供數(shù)字化3D打印整體解決方案，通過3D打印這一個(gè)步驟來革新現(xiàn)在繁長的動(dòng)力電池正負(fù)極制造環(huán)節(jié)。

交大高能的3D打印電池技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池的安全性能有顯著提高，具有將能量密度提高80%、制造成本降低50%的潛力，有非常巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和商業(yè)價(jià)值。交大高能創(chuàng)始人王世明說：“作為全球3D打印電池技術(shù)的創(chuàng)導(dǎo)企業(yè)和動(dòng)力電池制造過程的變革者，交大高能未來三年的估值有望達(dá)到100億以上。交大高能的愿景是通過數(shù)字智造賦能碳中和事業(yè)�！�

6K公司和Albemarle合作開發(fā)可持續(xù)鋰電池材料

2022年1月14日，專業(yè)3D打印材料開發(fā)商6K公司與全球化學(xué)品公司Albemarle Corporation簽署了一項(xiàng)聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，主要用于生產(chǎn)新型鋰離子電池材料。這項(xiàng)合作將由6K的UniMelt專利技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)用于生產(chǎn)工業(yè)級(jí)粉末的可持續(xù)材料生產(chǎn)平臺(tái)。

6K公司的UniMelt系統(tǒng)基于專利微波等離子體工藝運(yùn)行，該工藝旨在將銑削、車削和其他回收的廢料轉(zhuǎn)化為可用的3D打印材料。早在2021年4月，該公司已經(jīng)將其UniMelt技術(shù)重新用于開發(fā)鋰離子電池材料，當(dāng)時(shí)它為其能源部門6K Energy建立了一個(gè)新的先進(jìn)中心。6K指出，如果用一個(gè)同等的UniMelt生產(chǎn)設(shè)施取代傳統(tǒng)的16GWh電池陰極生產(chǎn)廠，可以減少70%的二氧化碳排放。水的消耗量也可以減少90%，廢水的產(chǎn)生也將完全消除，同時(shí)所需的工廠空間將減少50%。

△一家3D打印材料生產(chǎn)廠的UniMelt系統(tǒng)。照片來自6K

△位于馬薩諸塞州北安多弗的6K先進(jìn)電池中心。照片來自6K公司。

總結(jié)

總的來看，南極熊認(rèn)為我國3D打印電池的發(fā)展仍處于相對(duì)薄弱的水平，而如歐洲黑石、美國Sakuu等3D打印電池制造企業(yè)已經(jīng)走上了工業(yè)化生產(chǎn)的道路，并且向著更大規(guī)模發(fā)展。這給了我們國內(nèi)電池制造廠商一些啟示：3D打印電池的技術(shù)攻關(guān)迫在眉睫，相關(guān)產(chǎn)出成果需要及時(shí)轉(zhuǎn)化，盡快步入商業(yè)化生產(chǎn)道路，迎接電池行業(yè)即將到來的挑戰(zhàn)，以確保電芯供應(yīng)鏈和占領(lǐng)更多全球電池市場(chǎng)。

參考閱讀：

[1] 3D打印固態(tài)電池，KeraCel獲得日本汽車零部件制造商Musashi投資-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)

[2] 電池3D打印技術(shù)！Sakuu推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展-南極熊3D打印網(wǎng)- 平臺(tái) (nanjixiong.com)

[3] 推進(jìn)3D打印固態(tài)電池！解析SakuuCorporation的三項(xiàng)新專利-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

[4] 擴(kuò)張3D打印電池業(yè)務(wù)！黑石Blackstone子公司擬赴美上市-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)

[5] Sakuú公司3D打印3Ah鋰固態(tài)電池-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

[6] 固態(tài)電池新時(shí)代！Sakuu公司新建3D打印固態(tài)電池試驗(yàn)設(shè)施產(chǎn)能可高達(dá)2.5兆瓦-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)

[7] Sakuu預(yù)計(jì)2023年推出全3D打印固態(tài)電池！-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)

[8] BLACKSTONE宣布3D打印鈉離子電池將于2025年應(yīng)用于公共汽車！-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

[9] Photocentric成立3D打印電池研究部門，為汽車定制燃料電池-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)

[10] protolabs報(bào)告：82%的歐洲電池企業(yè)將在未來一年內(nèi)提升3D打印能力-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)

[11] 3D打印電池電極助力新能源汽車發(fā)展-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

[12] 突破性3D打印固態(tài)電池！黑石磷酸鋰鐵陰極技術(shù)無需鈷或鎳-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)