未來(lái)電池的增材制造：3D打印會(huì)改變電池制造嗎？

導(dǎo)讀：鋰電池是電動(dòng)汽車(chē)、電話(huà)、可穿戴電子產(chǎn)品、能量存儲(chǔ)等的核心，為數(shù)字化生活提供動(dòng)力。然而，鋰電池在損壞時(shí)容易著火，這是行業(yè)必須解決的問(wèn)題。在市場(chǎng)中，不乏有尋求解決鋰離子電池故障問(wèn)題的初創(chuàng)企業(yè)，特別是用創(chuàng)新的固態(tài)方法取代揮發(fā)性液態(tài)的制造方法。電池初創(chuàng)公司表示，使用3D打印制造電池（也稱(chēng)為增材制造）不僅可以解決安全問(wèn)題，還可以提供能量密度更高、充電速度更快的電池，這些電池比目前可用的電池更小、更輕、生產(chǎn)成本更低。下面南極熊將介紹三家在3D打印鋰電池領(lǐng)域較為突出的初創(chuàng)公司，分別是Sakuú、Blackstone和Photocentric，此外南極熊還將介紹3D打印鋰電池的前沿研究。



●Sakuú自由設(shè)計(jì)電池尺寸



Sakuu 是世界上首個(gè) 3D 打印固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)商，并于2022年8月在硅谷為電池平臺(tái)打印計(jì)劃開(kāi)設(shè)了一個(gè)先進(jìn)的多方面工程中心。據(jù)悉，該新設(shè)施占地79,000 平方英尺，將用作公司的工程中心。它將匯集電池、工程、材料科學(xué)、研發(fā)和增材制造等團(tuán)隊(duì)，預(yù)計(jì)到 2023 年第一季度將容納 115 名員工。

該公司表示，其 Swift Print 電池可以制造成任何形狀或尺寸，能夠根據(jù)公司專(zhuān)有的3D打印機(jī)進(jìn)行定制。相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀，并具有生產(chǎn)靈活性和較高的制造速度，因?yàn)闊o(wú)需等待生產(chǎn)模具或制造工具。

Sakuú 表示，鋰離子電池將不再局限于矩形、圓柱形或袋狀，可以集成到不同的產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)人員能夠以創(chuàng)新產(chǎn)品為核心設(shè)計(jì)電池，而不是適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電池形狀從而開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。名為 Kavian 的 Sakuú 3D 打印機(jī)在同一層使用金屬、陶瓷、玻璃和聚合物來(lái)生產(chǎn)固態(tài)電池，比現(xiàn)在的方法更快、更便宜、更輕便。盡管3D打印機(jī)的具體細(xì)節(jié)尚未公開(kāi)，但 Kavian 平臺(tái)使用了不止一種 3D 打印技術(shù)，與傳統(tǒng)的卷對(duì)卷電池制造工藝相比，制造步驟減少了一半。

Swift Print 電池技術(shù)包括粘合劑噴射（金屬或聚合物粉末與流體逐層粘合在一起）、金屬材料噴射（熔融或金屬漿液逐層沉積和硬化），能夠在各層堆疊制造之前進(jìn)行人工智能質(zhì)量控制和檢查。與當(dāng)今鋰電池的制造方式相比，Sakuú 表示，其 Kavian 平臺(tái)可以將制造成本削減 33%，工廠規(guī)�？s小 44%。

●Blackstone：3D打印電池提高可持續(xù)性
除了形狀和尺寸的自由度之外，3D 打印還可以讓制造商節(jié)省原材料，例如稀土礦物鋰、鈷和錳，并減少或消除溶劑的使用。3D 打印被稱(chēng)為“增材”技術(shù)而不是“減材”技術(shù)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)。特別是在基于粉末的增材制造中，剩余的材料會(huì)被回收并用于下一次打印。

3D 打印電池初創(chuàng)公司Blackstone Technology表示，其方法比傳統(tǒng)方法更具可持續(xù)性，它不僅可以在制造過(guò)程中節(jié)省電池金屬材料，而且能源消耗將減少 25%。Blackstone 在產(chǎn)品成熟度方面比 Sakuú 更進(jìn)一步，已于 2021 年打印出其首款功能性電池。其技術(shù)稱(chēng)為厚層技術(shù)，與 Sakuú 截然不同，它的核心是3D絲網(wǎng)打印的方法。Blackstone表示該技術(shù)將比傳統(tǒng)電池制造便宜 30%，并且可用于液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池。

3D絲網(wǎng)打印使用金屬漿料和粘合劑在絲網(wǎng)打印過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的掩模壓制，然后硬化，重復(fù)逐層打印，直到完成幾乎任何形狀的零件。

Blackstone 說(shuō)：“固態(tài)電池的制造能夠提高能量密度，并將顯著降低電池技術(shù)的成本，該公司正在與大眾汽車(chē)就將其電池整合到該汽車(chē)制造商的電動(dòng)汽車(chē)中進(jìn)行洽談�！俺�了在德國(guó)工廠生產(chǎn)電池外，Blackstone 還自己開(kāi)采和采購(gòu)材料，該公司投資稀土采礦業(yè)務(wù)，例如加拿大的 Electra Battery Materials，并在挪威持有許可證，可以申請(qǐng)多種稀土金屬的開(kāi)采許可證。


△德國(guó) Blackstone Technologies 的 3D 打印電池工廠。

Blackstone還不斷研發(fā)鈉離子電池技術(shù)：現(xiàn)代液體電解質(zhì)電池生產(chǎn)線(xiàn)十分單一，企業(yè)一次只能生產(chǎn)一種類(lèi)型的電池。制造過(guò)程十分耗能且昂貴，且需要使用對(duì)環(huán)境和人體有害的溶劑作為電極的原材料。Blackstone 為了解決上述問(wèn)題，提出了利用3D 打印方法逐層制造電池的方法，旨在使電池制造過(guò)程更加靈活、更具成本效益并且能夠在使用環(huán)保材料的同時(shí)生產(chǎn)更多類(lèi)型的電池。由于3D打印的制造方式本身具有很強(qiáng)的靈活性，Blackstone可以根據(jù)客戶(hù)的要求定制電池的尺寸和形狀。Blackstone的鈉離子技術(shù)，具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
1.原材料易獲得
2.制造過(guò)程環(huán)保
3.制造過(guò)程更經(jīng)濟(jì)
4.與傳統(tǒng)制造的電池相比，能量密度更高
5.電池的安全性更高

●Photocentric：供應(yīng)鏈彈性
如今，稀土金屬（主要來(lái)自中國(guó)）供應(yīng)量的減少是電池制造的一個(gè)重大障礙。許多公司和地區(qū)正在尋求恢復(fù)電池生產(chǎn)的方法，以消除潛在的供應(yīng)鏈中斷并確保能源獨(dú)立。3D打印公司Photocentric自 2020 年以來(lái)已獲得數(shù)百萬(wàn)政府投資，用于開(kāi)發(fā)新型工業(yè) 3D 打印機(jī)，以制造用于電動(dòng)汽車(chē)的固態(tài)電池。Photocentric 的技術(shù)仍處于研發(fā)階段，與 Sakuú 或 Blackstone 的不同，它的核心技術(shù)是基于使用光聚合物的樹(shù)脂 3D 打印。

目前，Photocentric 已將聚合物電解質(zhì)粘合劑以及陽(yáng)極和陰極粉末開(kāi)發(fā)成可打印的光聚合物樹(shù)脂，正在申請(qǐng)專(zhuān)利的方法有望為英國(guó)市場(chǎng)低成本大規(guī)模生產(chǎn)輕型電池。


△Photocentric 的 3D 打印電池實(shí)驗(yàn)室。

●Ampcera和LLNL實(shí)驗(yàn)室獲150萬(wàn)美元投資，開(kāi)發(fā)更耐用、更高效的3D打印鋰電池



2022年7月9日，南極熊獲悉，為了減少二氧化碳排放，邁向更加綠色的未來(lái)，美國(guó)能源部 (DOE) 已向 Ampcera 和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 提供了一筆大約 150 萬(wàn)美元的資金。這筆資金將被用于資助開(kāi)發(fā)制造3D結(jié)構(gòu)鋰電池陰極的無(wú)溶劑激光粉末床融合 (L-PBF) 增材制造技術(shù)，提高鋰電池的性能和能量密度，使其更加經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)。

Ampcera是鋰電池市場(chǎng)的一家富有創(chuàng)新性的供應(yīng)商，現(xiàn)與勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，該合作項(xiàng)目是美國(guó)能源部先進(jìn)制造辦公室批準(zhǔn)的六個(gè)能源系統(tǒng)項(xiàng)目之一，旨在減少工業(yè)排放，開(kāi)發(fā)清潔能源技術(shù)。此款鋰電池將通過(guò)增材制造技術(shù)進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)，十分節(jié)能。據(jù)悉，增材制造電池的預(yù)計(jì)效率將比傳統(tǒng)制造方法提高 10 倍以上，鋰電池制造成本將降低50%以上。此外，通過(guò) 3D 打印生產(chǎn)鋰電池也有望將能量密度提高到 450 Wh/kg 以上，并將成本降低到每 kWh 不到 75 美元。

●中科院物化所開(kāi)發(fā)出3D打印金屬鋰電池：超4800h的超長(zhǎng)循環(huán)壽命
2022年10月，南極熊獲悉，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型鋰金屬電池，他們利用了3D打印技術(shù)顯著提高了電池的壽命和能量密度。



在這項(xiàng)工作中，研究人員使用3D打印技術(shù)，開(kāi)發(fā)了多孔導(dǎo)電的Ti3C2Tx MXene，作為無(wú)枝晶和穩(wěn)定的Li陽(yáng)極，以及多維導(dǎo)電的LiFePO4(LFP)晶格作為超厚陰極，以構(gòu)建具有強(qiáng)大的循環(huán)穩(wěn)定性和超高面能量密度的全3D打印LMB。具體地說(shuō)，高濃度的Mxene油墨具有高的表觀粘度約為105pa⋅s和并具有一定的屈服應(yīng)力(3990P.)，有利于3D打印清晰的圖案化電極。

由此形成的導(dǎo)電性多孔網(wǎng)絡(luò)不僅使鋰離子通量和局部電流分布均勻，而且Ti3C2Tx Mxene的親鋰基團(tuán)O和F可以與鋰離子反應(yīng)形成均勻的SEI膜，有效地控制了金屬Li的均勻形核和生長(zhǎng)，抑制了Li樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)。

小結(jié)
世界各地的公司逐步開(kāi)發(fā)和建立更好的電池制造工廠，不僅是解決當(dāng)前的安全問(wèn)題，而且還需要滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)制造、確保材料采購(gòu)和促進(jìn)可持續(xù)性的需求。盡管向成熟行業(yè)引入新的制造方法是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但在未來(lái)幾年，3D打印可能會(huì)通過(guò)提供制造靈活性、大規(guī)模定制、更環(huán)保的材料和更快的上市速度來(lái)超越傳統(tǒng)方法。