未来电池的增材制造：3D打印会改变电池制造吗？

导读：锂电池是电动汽车、电话、可穿戴电子产品、能量存储等的核心，为数字化生活提供动力。然而，锂电池在损坏时容易着火，这是行业必须解决的问题。在市场中，不乏有寻求解决锂离子电池故障问题的初创企业，特别是用创新的固态方法取代挥发性液态的制造方法。电池初创公司表示，使用3D打印制造电池（也称为增材制造）不仅可以解决安全问题，还可以提供能量密度更高、充电速度更快的电池，这些电池比目前可用的电池更小、更轻、生产成本更低。下面南极熊将介绍三家在3D打印锂电池领域较为突出的初创公司，分别是Sakuú、Blackstone和Photocentric，此外南极熊还将介绍3D打印锂电池的前沿研究。



●Sakuú自由设计电池尺寸



Sakuu 是世界上首个 3D 打印固态电池的开发商，并于2022年8月在硅谷为电池平台打印计划开设了一个先进的多方面工程中心。据悉，该新设施占地79,000 平方英尺，将用作公司的工程中心。它将汇集电池、工程、材料科学、研发和增材制造等团队，预计到 2023 年第一季度将容纳 115 名员工。

该公司表示，其 Swift Print 电池可以制造成任何形状或尺寸，能够根据公司专有的3D打印机进行定制。相比于传统制造方法，3D打印能够实现更复杂的几何形状，并具有生产灵活性和较高的制造速度，因为无需等待生产模具或制造工具。

Sakuú 表示，锂离子电池将不再局限于矩形、圆柱形或袋状，可以集成到不同的产品中，设计人员能够以创新产品为核心设计电池，而不是适应标准电池形状从而开发产品。名为 Kavian 的 Sakuú 3D 打印机在同一层使用金属、陶瓷、玻璃和聚合物来生产固态电池，比现在的方法更快、更便宜、更轻便。尽管3D打印机的具体细节尚未公开，但 Kavian 平台使用了不止一种 3D 打印技术，与传统的卷对卷电池制造工艺相比，制造步骤减少了一半。

Swift Print 电池技术包括粘合剂喷射（金属或聚合物粉末与流体逐层粘合在一起）、金属材料喷射（熔融或金属浆液逐层沉积和硬化），能够在各层堆叠制造之前进行人工智能质量控制和检查。与当今锂电池的制造方式相比，Sakuú 表示，其 Kavian 平台可以将制造成本削减 33%，工厂规模缩小 44%。

●Blackstone：3D打印电池提高可持续性
除了形状和尺寸的自由度之外，3D 打印还可以让制造商节省原材料，例如稀土矿物锂、钴和锰，并减少或消除溶剂的使用。3D 打印被称为“增材”技术而不是“减材”技术，几乎不会产生浪费。特别是在基于粉末的增材制造中，剩余的材料会被回收并用于下一次打印。

3D 打印电池初创公司Blackstone Technology表示，其方法比传统方法更具可持续性，它不仅可以在制造过程中节省电池金属材料，而且能源消耗将减少 25%。Blackstone 在产品成熟度方面比 Sakuú 更进一步，已于 2021 年打印出其首款功能性电池。其技术称为厚层技术，与 Sakuú 截然不同，它的核心是3D丝网打印的方法。Blackstone表示该技术将比传统电池制造便宜 30%，并且可用于液态电解质和固态电池。

3D丝网打印使用金属浆料和粘合剂在丝网打印过程中通过计算机生成的掩模压制，然后硬化，重复逐层打印，直到完成几乎任何形状的零件。

Blackstone 说：“固态电池的制造能够提高能量密度，并将显着降低电池技术的成本，该公司正在与大众汽车就将其电池整合到该汽车制造商的电动汽车中进行洽谈。“除了在德国工厂生产电池外，Blackstone 还自己开采和采购材料，该公司投资稀土采矿业务，例如加拿大的 Electra Battery Materials，并在挪威持有许可证，可以申请多种稀土金属的开采许可证。


△德国 Blackstone Technologies 的 3D 打印电池工厂。

Blackstone还不断研发钠离子电池技术：现代液体电解质电池生产线十分单一，企业一次只能生产一种类型的电池。制造过程十分耗能且昂贵，且需要使用对环境和人体有害的溶剂作为电极的原材料。Blackstone 为了解决上述问题，提出了利用3D 打印方法逐层制造电池的方法，旨在使电池制造过程更加灵活、更具成本效益并且能够在使用环保材料的同时生产更多类型的电池。由于3D打印的制造方式本身具有很强的灵活性，Blackstone可以根据客户的要求定制电池的尺寸和形状。Blackstone的钠离子技术，具有几个优势：
1.原材料易获得
2.制造过程环保
3.制造过程更经济
4.与传统制造的电池相比，能量密度更高
5.电池的安全性更高

●Photocentric：供应链弹性
如今，稀土金属（主要来自中国）供应量的减少是电池制造的一个重大障碍。许多公司和地区正在寻求恢复电池生产的方法，以消除潜在的供应链中断并确保能源独立。3D打印公司Photocentric自 2020 年以来已获得数百万政府投资，用于开发新型工业 3D 打印机，以制造用于电动汽车的固态电池。Photocentric 的技术仍处于研发阶段，与 Sakuú 或 Blackstone 的不同，它的核心技术是基于使用光聚合物的树脂 3D 打印。

目前，Photocentric 已将聚合物电解质粘合剂以及阳极和阴极粉末开发成可打印的光聚合物树脂，正在申请专利的方法有望为英国市场低成本大规模生产轻型电池。


△Photocentric 的 3D 打印电池实验室。

●Ampcera和LLNL实验室获150万美元投资，开发更耐用、更高效的3D打印锂电池



2022年7月9日，南极熊获悉，为了减少二氧化碳排放，迈向更加绿色的未来，美国能源部 (DOE) 已向 Ampcera 和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 提供了一笔大约 150 万美元的资金。这笔资金将被用于资助开发制造3D结构锂电池阴极的无溶剂激光粉末床融合 (L-PBF) 增材制造技术，提高锂电池的性能和能量密度，使其更加经济和可持续。

Ampcera是锂电池市场的一家富有创新性的供应商，现与劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作，该合作项目是美国能源部先进制造办公室批准的六个能源系统项目之一，旨在减少工业排放，开发清洁能源技术。此款锂电池将通过增材制造技术进行研发生产，十分节能。据悉，增材制造电池的预计效率将比传统制造方法提高 10 倍以上，锂电池制造成本将降低50%以上。此外，通过 3D 打印生产锂电池也有望将能量密度提高到 450 Wh/kg 以上，并将成本降低到每 kWh 不到 75 美元。

●中科院物化所开发出3D打印金属锂电池：超4800h的超长循环寿命
2022年10月，南极熊获悉，来自中国科学院大连化学物理研究所催化重点实验室的研究人员开发出一种新型锂金属电池，他们利用了3D打印技术显着提高了电池的寿命和能量密度。



在这项工作中，研究人员使用3D打印技术，开发了多孔导电的Ti3C2Tx MXene，作为无枝晶和稳定的Li阳极，以及多维导电的LiFePO4(LFP)晶格作为超厚阴极，以构建具有强大的循环稳定性和超高面能量密度的全3D打印LMB。具体地说，高浓度的Mxene油墨具有高的表观粘度约为105pa⋅s和并具有一定的屈服应力(3990P.)，有利于3D打印清晰的图案化电极。

由此形成的导电性多孔网络不仅使锂离子通量和局部电流分布均匀，而且Ti3C2Tx Mxene的亲锂基团O和F可以与锂离子反应形成均匀的SEI膜，有效地控制了金属Li的均匀形核和生长，抑制了Li树枝晶的生长。

小结
世界各地的公司逐步开发和建立更好的电池制造工厂，不仅是解决当前的安全问题，而且还需要满足国内制造、确保材料采购和促进可持续性的需求。尽管向成熟行业引入新的制造方法是一项挑战，但在未来几年，3D打印可能会通过提供制造灵活性、大规模定制、更环保的材料和更快的上市速度来超越传统方法。