3D打印鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢，深圳大學劉長勇傾情報告

2023年7月15日，第一屆電池3D打印大會在深圳大學成功舉行。這場由南極熊3D打印網(wǎng)、深圳大學增材制造研究所聯(lián)合發(fā)起的研討會，引起大量專業(yè)人士的關注，現(xiàn)場匯聚來自全國各地的100多位3D打印、大學、新能源、投資等領域的嘉賓，進行了一場輕松而又充滿干貨的交流。
在本次研討會上，深圳大學增材制造研究所劉長勇副教授作了專題報告，介紹了“3D打印鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢”，本文來回顧一下劉長勇副教授報告的主要內(nèi)容。

△深圳大學副教授 劉長勇



根據(jù)相關數(shù)據(jù)的預測，2022年至2030年鋰離子電池的總容量將從700 GWh增長至4700 GWh，市場規(guī)模將從850億美元增長至4000億美元，具有良好的未來前景。鋰電池目前已經(jīng)被廣泛用于消費電子、新能源汽車、工業(yè)儲能等領域。




現(xiàn)有鋰離子電池技術

從技術的角度來講，鋰電池的關鍵技術包含三個方面：材料體系、電池結構、制造工藝。

目前，常用的鋰電池材料體系正極主要就是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰，還有鎳鈷錳、鎳鈷鋁的三元材料，負極主要是石墨，現(xiàn)在高容量的硅碳也開始商業(yè)化，還有安全性比較好的鈦酸鋰，這些是當前商業(yè)化應用比較多的材料。不同的電池廠商對材料體系的理解是不一樣的，比亞迪走的是磷酸鐵鋰材料體系，寧德時代走的是三元材料體系，它們在市場上都有存在的空間。



電池里面牽扯很多的材料，要有一個合適的化學體系，然后做成一個理想的電池的結構，把它設計合理了，電池才有比較好的性能。

電池結構方面，一般是在鋁箔的正反面涂上正極材料，銅箔的正反面都涂上負極材料，最后與隔膜一起一層一層疊起來制作成電池。銅箔、鋁箔起的作用就是把活性材料產(chǎn)生的電流給收集起來，起到集流體的作用。目前，涂的活性材料厚度小于100微米，如果涂的太厚會影響充放電的速度。因此，制作一個電池需要用到大量的銅箔和鋁箔，嚴重影響電池的能量密度：

• 電極厚度小于100 μm
• 使用大量集流體（鋁箔和銅箔）
• 使用大量隔膜（聚乙烯）
  

為了提高電池的能量密度，目前大家共同的技術路線是用更薄的集流體，減少其所占的體積和質(zhì)量，現(xiàn)在集流體做到6微米，隔膜也更薄做到10微米，然后再把電芯做大，就意味著電池的外殼封裝的體積在整個電池中的占比減小了：

• 更薄的集流體（薄至6 μm）
• 更薄的隔膜（薄至10 μm）
• 更大的單體電芯尺寸
  

• 特斯拉4680電池：直徑46mm高度80mm
• 比亞迪刀片電池：905mm*118mm*13.5mm
  

電池中有集流體把電流收集起來，有正極、有隔膜、有負極、有電解質(zhì)，這些材料實際上性能差異很大。不同的材料體系，帶來的能量密度、安全性等都不一樣。

鋰金屬全固態(tài)電池等新技術，雖然現(xiàn)在還沒有商用，但是這些都是未來的重要方向。

3D打印如何賦能電池制造？

3D打印可以這樣賦能電池制造：        

• 3D打印賦能電極結構/電池構型創(chuàng)新
• 3D打印促進電池原型快速研發(fā)
• 3D打印個性化/異形電池快速制造
• 面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
• 3D打印賦能結構/電池/電路曲面共形設計
  

那么，鋰電池究竟和3D打印之間如何產(chǎn)生結合點？那邊，先來看看常用的3D打印技術包括：漿料直寫、噴墨打印、光聚合打印、熔融擠出、粘結劑噴射、激光選區(qū)燒結、氣溶膠3D打印等。



兩者之間的結合，可以追溯到2013年，當時哈佛大學發(fā)表了一篇論文，科研人員使用漿料直寫3D打印技術，制作了一個電池的原型，此后全球眾多科研機構和企業(yè)開始了3D打印鋰電池方面的研究。


可以用3D打印技術來做電極的結構創(chuàng)新，或者叫電池的構型創(chuàng)新。以往的時候電極很薄，要用大量的鋁箔銅箔集流體。如果讓電量有效載荷比例變大，那么就可以提高能量密度。但是它做厚了之后，實際上鋰離子擴展很慢，半天走不出來，來不及，所以可以把電極創(chuàng)新一下。比如說在里面修一個通道，然后電子離子可以很快從通道里面過去，或者說把疊在一起的構型，通過交叉，讓電極離子橫向擴散，就不需要跑那么遠了，只需要在附近跑就行了。

在過去十年的研究中，人們嘗試了各種不同的3D打印技術來制作電池。

其中，光固化3D打印技術用于鋰電池制造，有四種方式：
1. 光固化制備凝膠態(tài)聚合物電解質(zhì)；
2. 光固化打印光敏樹脂+高溫裂解獲得碳晶格；
3. 光固化打印光敏樹脂前驅體+高溫煅燒獲得三維電極；
4. 光固化打印含活性材料光敏樹脂獲得三維電極。



FDM 3D打印技術用于鋰電池制造，一般是將石墨烯、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰等電池材料，混入PLA、TPU等高分子材料中，然后通過FDM 3D打印機來打印成型，獲得電極結構，再想辦法去除其中的高分子材料。



SLS激光燒結技術則曾被用于Ni-Co-Al三元材料的3D打印，使用1KW光纖激光器（1070nm）進行燒結。



粘結劑噴射技術，實際上有點像常規(guī)的電池材料體系，也是將活性材料、粘結劑、導電劑混合，然后通過粘接機噴射方式來打印成型。怎么能夠用這個技術把多材料多功能的復雜部件能夠給它做出來，這是一個很大的挑戰(zhàn)。


目前，用的最廣的還是漿料直寫這種3D打印技術，常規(guī)的電池制造也是將電極材料做成漿料，然后進行涂布。而現(xiàn)在是通過3D打印的方式把它擠出來，從而控制其形狀結構。漿料直寫這種技術對于材料的適用性最廣，科研領域大家基本上都在用這種方法，但這種方法也存在很多問題，比如打印精度和效率方面還不是特別高。



另外一種方式是金屬3D打印，將銅、鋁等直接打印成晶格結構，作為集流體，然后將活性材料灌進去，成為電極。鋁合金、銅合金輕量化點陣結構作為負載活性物質(zhì)的三維集流體。



最后一種叫氣溶膠噴射的技術，國外有這方面的研究，曾經(jīng)被用來打印磷酸鐵鋰、鈦酸鋰，還可以打印在曲面上面。


以上就是過去十年，科研人員在探索怎么能夠用3D打印的方式來制作電池的一些思路和取得的成果。未來3D打印該如何賦能電池制造？劉長勇總結了五個方面：

●3D打印賦能電極結構/電池構型創(chuàng)新
●3D打印促進電池原型快速研發(fā)
●3D打印個性化/異形電池快速制造
●面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
●3D打印賦能結構/電池/電路曲面共形設計


△通過3D打印來制作厚電極，從而提高活性材料的占比，通過電池構型創(chuàng)新來提高能量密度


△將涂布的平面電極轉換為3D打印的三維結構電極


△用于電池原型的3D打印驗證
3D打印電池做原型驗證，然后到批量化的時候還是傳統(tǒng)工藝，批量化的時候它又存在制造問題。實際上我們現(xiàn)在3D打印電池，沒辦法反映任何傳統(tǒng)工藝制造中存在的問題，開發(fā)一個新品種的電池，它存在的制造問題仍然要解決一遍，這點會阻礙廠商去用3D打印技術來制造電池。


△形狀/結構/尺寸可定制化電池；為產(chǎn)品優(yōu)化帶來更多的可能性


△面向可穿戴應用的3D打印柔性電池制造


△3D打印賦能結構/電池/電路曲面共形設計

很多軍工上的產(chǎn)品，尤其是飛機，它前面是一個雷達天線罩，要在一個曲面上要把結構件、電路、天線很多東西都要集成，如果可以做到這種結構電池電路，全面都是曲面共形這種設計的話，將是非常有潛力的一種技術，當然這個是很難解決的，我以前也想過這個問題，但是并沒有很好的方案。

實際上，從2017年開始，深圳大學增材制造研究所就開始研究鋰電池3D打印，并獲得了國家自然科學基金的支持。劉長勇表示，實驗室基于之前研發(fā)的低溫3D生物打印技術，進一步研發(fā)了可用于鋰電池3D打印的低溫直寫設備，可以打印各種各樣的電極并發(fā)表了諸多相關論文。




3D打印鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢-深圳大學-劉長勇-對外公布_20230717203837.pdf (2.51 MB, 下載次數(shù): 755)

2023-7-17 21:26 上傳

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演講視頻

△劉長勇副教授報告視頻

以上就是本次大會，劉長勇副教授報告的主要內(nèi)容。其他關于本次大會的報道：

第一屆電池3D打印大會在深圳大學成功召開，引起大量關注