綜述：3D打印如何實(shí)現(xiàn)隨形電池在緊湊型設(shè)備中的無縫集成

2025年7月21日，南極熊獲悉，深圳大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員發(fā)表了一篇關(guān)于形狀適形電池的隨形3D打印技術(shù)的全面綜述，強(qiáng)調(diào)了在柔性電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備和緊湊型嵌入式系統(tǒng)中革新儲能技術(shù)的潛力。

相關(guān)論文題為“Conformal 3D printing towardsshape-conformal batteries: a topical review”，于2025年2月發(fā)表在《虛擬與物理原型》雜志上，探討了在曲面上直接制造電池的關(guān)鍵策略、技術(shù)發(fā)展和挑戰(zhàn)，這是邁向單片器件集成的關(guān)鍵一步。

論文鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2025.2461752

形狀適形電池

傳統(tǒng)電池，無論是剛性、平面還是封裝，對于注重緊湊性和復(fù)雜幾何形狀的新興產(chǎn)品而言，都構(gòu)成了限制。在智能眼鏡、助聽器和微型無人機(jī)等應(yīng)用中，可用空間通常決定著性能。形狀隨形電池有望通過將電源系統(tǒng)直接嵌入結(jié)構(gòu)部件來突破這一限制。然而，傳統(tǒng)的制造技術(shù)難以在不規(guī)則表面上沉積和組裝電池材料。這正是隨形3D打印的用武之地。

與制造扁平并彎曲成形的柔性電池不同，隨形電池是在非平面幾何形狀上逐層構(gòu)建的。這使得它們能夠完全貼合基底，最大限度地減少空間浪費(fèi)并提高集成度。諸如直接墨水書寫 (DIW) 和氣溶膠噴射打印 (AJP) 等技術(shù)已成為關(guān)鍵推動因素，可為復(fù)雜表面提供高精度和多材料兼容性。

隨形電池制造的最新進(jìn)展

一個值得注意的例子是 Yu 等人的研究，他們利用 AJP 技術(shù)在球形表面上制造鋰離子電池。氣溶膠墨水實(shí)現(xiàn)了正極和負(fù)極材料的非接觸式沉積，這些材料被直接打印在定制外殼上。裝置采用 FDM 打印的外殼密封，在 0.1C 電流密度下實(shí)現(xiàn)了  135 mAh g⁻¹ 的放電容量，并在 30 次循環(huán)后保持了 78.4% 的容量。雖然結(jié)果略低于平面基準(zhǔn)，但證實(shí)了在復(fù)雜幾何形狀上直接打印電池的可行性。

△在非平面表面上氣溶膠噴射打印鋰離子電池。陰極和陽極被打印到帶有定制FDM外殼的曲面外殼上。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。

Ahn等人演示了如何使用三軸DIW系統(tǒng)制造耳形鋅離子電池。MnO₂和和Zn電極以交錯圖案打印，然后進(jìn)行凝膠電解質(zhì)和UV固化樹脂封裝。與將柔性片狀電池壓在曲面上（會導(dǎo)致分層和開裂）的嘗試相比，直接打印的裝置實(shí)現(xiàn)了牢固的粘合性和電化學(xué)穩(wěn)定性。它能夠?yàn)橹�聽器模塊供電，在0.2 A g-¹電流密度下可提供248 mAh g-¹的容量。

△在耳形基底上直接打印鋅離子電池。隨形打印裝置成功為助聽器供電。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。

Fassler 等人探索了一種混合技術(shù)，將 DIW 和 AJP 相結(jié)合，在方形銅條上構(gòu)建了一個共形鋰離子電池。陽極采用 DIW 沉積，以實(shí)現(xiàn)高材料負(fù)載；而 AJP 則用于獲得厚度在 4 至 12 微米之間的薄而均勻的隔膜層 (Pyrolux)。盡管由于非平面表面真空密封的挑戰(zhàn)，最終電池性能略有下降，但該研究展示了一種可行的多材料工藝流程。

△在方形銅條上混合制造隨形鋰離子電池。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。

在一項(xiàng)更集成的演示中，Meng 等人開發(fā)了一個五軸打印平臺，能夠在一次操作中構(gòu)建電池、電路和傳感器。他們的系統(tǒng)使用多個壓電噴嘴來沉積低粘度材料（例如銀墨）和高粘度電池漿料。鋅離子電池、溫度傳感器和 LED 被打印到曲面基板上，并進(jìn)行原位紫外固化和燒結(jié)。最終的組件作為一個獨(dú)立的智能系統(tǒng)運(yùn)行，能夠響應(yīng)熱量并激活 LED。

△五軸共形3D打印集成系統(tǒng)，包含鋅離子電池、溫度傳感器和LED，位于曲面上。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。

剩余的挑戰(zhàn)和未來展望

這些研究反映了共形電池研究的日益復(fù)雜化，同時也凸顯了持續(xù)存在的挑戰(zhàn)。固體電解質(zhì)的高分辨率打印仍然困難，尤其是在需要平衡流動性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和離子電導(dǎo)率的情況下。封裝是另一個懸而未決的問題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電池外殼與復(fù)雜的幾何形狀不兼容。一些研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向紫外光固化封裝材料，盡管長期耐久性仍在評估中。

設(shè)計軟件也仍處于發(fā)展階段。雖然平面打印的切片工具現(xiàn)已成熟，但隨形電池打印需要自定義算法來生成曲面上的路徑。一些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用 Grasshopper 和 MATLAB 構(gòu)建了相關(guān)工具，但用戶友好的商業(yè)級解決方案仍然匱乏。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，作者認(rèn)為共形電池技術(shù)正在穩(wěn)步發(fā)展。隨著制造系統(tǒng)越來越普及以及材料不斷改進(jìn)，形狀共形電池或?qū)⒊蔀榧�成電子設(shè)計的核心特征。隨著進(jìn)一步發(fā)展，電池有望從獨(dú)立組件轉(zhuǎn)變?yōu)榕c供電設(shè)備幾何形狀和功能相匹配的嵌入式系統(tǒng)。

擴(kuò)大 3D 打印在能源和電子領(lǐng)域的作用

這篇綜述基于越來越多的研究成果，探討了3D打印如何重塑儲能和功能性電子產(chǎn)品。據(jù)《3D打印產(chǎn)業(yè)》雜志最近報道，首爾國立大學(xué)的研究人員展示了增材制造技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)仿生能源系統(tǒng)的發(fā)電、轉(zhuǎn)換和存儲，預(yù)示著結(jié)構(gòu)集成和性能齊頭并進(jìn)的未來。同時，3D打印電子產(chǎn)品（例如nScrypt公司的產(chǎn)品）的進(jìn)步，凸顯了共形3D打印電路結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的趨勢。