未來電池的增材制造：3D打印會改變電池制造嗎？

導讀：鋰電池是電動汽車、電話、可穿戴電子產(chǎn)品、能量存儲等的核心，為數(shù)字化生活提供動力。然而，鋰電池在損壞時容易著火，這是行業(yè)必須解決的問題。在市場中，不乏有尋求解決鋰離子電池故障問題的初創(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（也稱為增材制造）不僅可以解決安全問題，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自由設計電池尺寸



Sakuu 是世界上首個 3D 打印固態(tài)電池的開發(fā)商，并于2022年8月在硅谷為電池平臺打印計劃開設了一個先進的多方面工程中心。據(jù)悉，該新設施占地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、研發(fā)和增材制造等團隊，預計到 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)公司專有的3D打印機進行定制。相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)更復雜的幾何形狀，并具有生產(chǎn)靈活性和較高的制造速度，因為無需等待生產(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，設計人員能夠以創(chuàng)新產(chǎn)品為核心設計電池，而不是適應標準電池形狀從而開發(fā)產(chǎn)品。名為 Kavian 的 Sakuú 3D 打印機在同一層使用金屬、陶瓷、玻璃和聚合物來生產(chǎn)固態(tài)電池，比現(xiàn)在的方法更快、更便宜、更輕便。盡管3D打印機的具體細節(jié)尚未公開，但 Kavian 平臺使用了不止一種 3D 打印技術，與傳統(tǒng)的卷對卷電池制造工藝相比，制造步驟減少了一半。

Swift Print 電池技術包括粘合劑噴射（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行人工智能質(zhì)量控制和檢查。與當今鋰電池的制造方式相比，Sakuú 表示，其 Kavian 平臺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 打印被稱為“增材”技術而不是“減材”技術，幾乎不會產(chǎn)生浪費。特別是在基于粉末的增材制造中，剩余的材料會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 更進一步，已于 2021 年打印出其首款功能性電池。其技術稱為厚層技術，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)打印過程中通過計算機生成的掩模壓制，然后硬化，重復逐層打印，直到完成幾乎任何形狀的零件。

Blackstone 說：“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的成本，該公司正在與大眾汽車就將其電池整合到該汽車制造商的電動汽車中進行洽談。“除了在德國工廠生產(chǎn)電池外，Blackstone 還自己開采和采購材料，該公司投資稀土采礦業(yè)務，例如加拿大的 Electra Battery Materials，并在挪威持有許可證，可以申請多種稀土金屬的開采許可證。


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

Blackstone還不斷研發(fā)鈉離子電池技術：現(xiàn)代液體電解質(zhì)電池生產(chǎn)線十分單一，企業(yè)一次只能生產(chǎn)一種類型的電池。制造過程十分耗能且昂貴，且需要使用對環(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)保材料的同時生產(chǎn)更多類型的電池。由于3D打印的制造方式本身具有很強的靈活性，Blackstone可以根據(jù)客戶的要求定制電池的尺寸和形狀。Blackstone的鈉離子技術，具有幾個優(yōu)勢：
1.原材料易獲得
2.制造過程環(huán)保
3.制造過程更經(jīng)濟
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：供應鏈彈性
如今，稀土金屬（主要來自中國）供應量的減少是電池制造的一個重大障礙。許多公司和地區(qū)正在尋求恢復電池生產(chǎn)的方法，以消除潛在的供應鏈中斷并確保能源獨立。3D打印公司Photocentric自 2020 年以來已獲得數(shù)百萬政府投資，用于開發(fā)新型工業(yè) 3D 打印機，以制造用于電動汽車的固態(tài)電池。Photocentric 的技術仍處于研發(fā)階段，與 Sakuú 或 Blackstone 的不同，它的核心技術是基于使用光聚合物的樹脂 3D 打印。

目前，Photocentric 已將聚合物電解質(zhì)粘合劑以及陽極和陰極粉末開發(fā)成可打印的光聚合物樹脂，正在申請專利的方法有望為英國市場低成本大規(guī)模生產(chǎn)輕型電池。


△Photocentric 的 3D 打印電池實驗室。

●Ampcera和LLNL實驗室獲150萬美元投資，開發(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，美國能源部 (DOE) 已向 Ampcera 和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 提供了一筆大約 150 萬美元的資金。這筆資金將被用于資助開發(fā)制造3D結(jié)構鋰電池陰極的無溶劑激光粉末床融合 (L-PBF) 增材制造技術，提高鋰電池的性能和能量密度，使其更加經(jīng)濟和可持續(xù)。

Ampcera是鋰電池市場的一家富有創(chuàng)新性的供應商，現(xiàn)與勞倫斯利弗莫爾國家實驗室合作，該合作項目是美國能源部先進制造辦公室批準的六個能源系統(tǒng)項目之一，旨在減少工業(yè)排放，開發(fā)清潔能源技術。此款鋰電池將通過增材制造技術進行研發(fā)生產(chǎn)，十分節(jié)能。據(jù)悉，增材制造電池的預計效率將比傳統(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 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。

●中科院物化所開發(fā)出3D打印金屬鋰電池：超4800h的超長循環(huán)壽命
2022年10月，南極熊獲悉，來自中國科學院大連化學物理研究所催化重點實驗室的研究人員開發(fā)出一種新型鋰金屬電池，他們利用了3D打印技術顯著提高了電池的壽命和能量密度。



在這項工作中，研究人員使用3D打印技術，開發(fā)了多孔導電的Ti3C2Tx MXene，作為無枝晶和穩(wěn)定的Li陽極，以及多維導電的LiFePO4(LFP)晶格作為超厚陰極，以構建具有強大的循環(huán)穩(wěn)定性和超高面能量密度的全3D打印LMB。具體地說，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力(3990P.)，有利于3D打印清晰的圖案化電極。

由此形成的導電性多孔網(wǎng)絡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O和F可以與鋰離子反應形成均勻的SEI膜，有效地控制了金屬Li的均勻形核和生長，抑制了Li樹枝晶的生長。

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