導(dǎo)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(shí)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(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)電池的開發(fā)商，并于2022年8月在硅谷為電池平臺打印計(jì)劃開設(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，但 Kavian 平臺使用了不止一種 3D 打印技術(shù)，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(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 平臺可以將制造成本削減 33%，工廠規(guī)模縮小 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(shù)而不是“減材”技術(shù)，幾乎不會產(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(jìn)一步，已于 2021 年打印出其首款功能性電池。其技術(shù)稱為厚層技術(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)打印過程中通過計(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：“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就將其電池整合到該汽車制造商的電動汽車中進(jìn)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(wù)，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。

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(shí)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(qiáng)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(shù)，具有幾個(gè)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(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（主要來自中國）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(jī)，以制造用于電動汽車的固態(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。

●Ampcera和LLNL實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gòu)鋰電池陰極的無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家實(shí)驗(yàn)室合作，該合作項(xiàng)目是美國能源部先進(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，開發(fā)清潔能源技術(shù)。此款鋰電池將通過增材制造技術(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 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(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)，開發(fā)了多孔導(dǎo)電的Ti3C2Tx MXene，作為無枝晶和穩(wěn)定的Li陽極，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，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，抑制了Li樹枝晶的生長。

專注新能源電池3D打印，高能數(shù)造提供更安全、更高能的電池解決方案

高能數(shù)造是一家3D打印電池產(chǎn)業(yè)化公司，于2021年正式進(jìn)軍新能源電池3D打印領(lǐng)域，投身于電池制造工藝中。高能數(shù)造孵化于西安交通大學(xué)快速制造國家工程研究中心長春 3D 打印創(chuàng)新中心，成立僅一年多時(shí)間，目前已與一汽集團(tuán)、愛馳汽車、柳工股份、中科院大連化學(xué)物理研究所等單位的電池研制機(jī)構(gòu)展開合作，并產(chǎn)生營收。此前，高能數(shù)造已經(jīng)完成由科創(chuàng)航天基金投資的天使輪融資。

高能數(shù)造創(chuàng)始人兼CEO王世明告訴36氪，如今的電極生產(chǎn)存在5-6個(gè)制造環(huán)節(jié)（涂布、烘烤、錕壓、分切、卷繞/疊片），生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、能耗高、占地面積大，且不具備柔性產(chǎn)能。電池工廠前期投入很大，并且只能生產(chǎn)液態(tài)電池，不能生產(chǎn)全固態(tài)電池，更無法生產(chǎn)異形電池。通過這樣的復(fù)雜工藝所制作的電池本身也存在很多亟待解決的痛點(diǎn)問題：一是安全性低，存在自燃風(fēng)險(xiǎn)；二是能量密度低，用戶有續(xù)航焦慮；三是生產(chǎn)環(huán)節(jié)輔材需求大，浪費(fèi)大、能耗高，導(dǎo)致單電池成本高。

王世明表示，高能數(shù)造希望通過3D打印技術(shù)替代傳統(tǒng)的電池制造工藝，利用自主研發(fā)的3D打印設(shè)備及電池材料3D打印技術(shù)直接打印出電池需要的正負(fù)極片。

當(dāng)被問及技術(shù)優(yōu)勢時(shí)，王世明認(rèn)為，相較于傳統(tǒng)涂布工藝所生產(chǎn)的平面電極，電池3D打印工藝可以生產(chǎn)出傳統(tǒng)極片2-3倍厚度的3D結(jié)構(gòu)電極；安全性上，3D打印可以制造具有連續(xù)微孔結(jié)構(gòu)的立體電極，其內(nèi)部散熱效率高，可以有效降低自燃風(fēng)險(xiǎn)；成本上，3D打印厚電極工藝可以減少隔膜、集流體等輔材的使用，以及更低的能耗和更少的浪費(fèi)，從而降低30%左右電池制造成本；輔材變少，也可以節(jié)省出更多的電池內(nèi)部空間來放置正負(fù)極材料，相當(dāng)于在不改變活性物質(zhì)配方情況下提高電池能量密度；產(chǎn)線投入上，相較于涂布工藝，電池3D打印工藝在同等產(chǎn)能條件下可以減少約40%的電池生產(chǎn)設(shè)備投入。

除了具備性能、安全、成本等優(yōu)勢以外，電池3D打印工藝依托其高精度、高設(shè)計(jì)自由度的優(yōu)勢，還可以用于制造超微型電池、異形電池和定制電池。同時(shí)，通過切換灌裝不同材料的打印噴頭，3D打印電池工藝可以實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的一體化制造。

王世明提到，全固態(tài)電池作為下一代電池發(fā)展的主要趨勢，也是高能數(shù)造所關(guān)注的焦點(diǎn)之一。高能數(shù)造掌握著多種類電極材料的3D打印技術(shù)，并已成功推出多噴頭高效率3D打印設(shè)備。該設(shè)備一方面可以適配市面上所有的電極材料；另一方面，可以實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池從集流體、負(fù)極、電解質(zhì)、正極到集流體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與一體化制造，并可通過預(yù)先設(shè)計(jì)的三維電極結(jié)構(gòu)有效改善全固態(tài)電池固固界面接觸問題，從而為全球全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了一種有效可行的制造工藝。借助電池3D打印工藝，高能數(shù)造希望成為全固態(tài)電池制造標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)者。

在產(chǎn)品上，除了已推出的兩代電池3D打印設(shè)備外，高能數(shù)造也于今年11月率先發(fā)布了3D打印電池品牌——拓?fù)涓吣埽洚a(chǎn)品系列覆蓋最大三維尺寸小于4毫米的超微型電池、異形電池、定制電池和全固態(tài)電池四類。據(jù)王世明介紹，這是一個(gè)3D打印電池品牌，高能數(shù)造目前可為用戶提供超薄、曲面、可折疊、仿形、直徑超過100毫米的圓形電池等各類電池產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)。

在商業(yè)模式上，除提供電池產(chǎn)品定制以外，未來高能數(shù)造也會為全球擴(kuò)產(chǎn)擴(kuò)能的電池廠提供以3D打印為主要工藝的電池?cái)?shù)字智造產(chǎn)線。

在創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)上，高能數(shù)造組成了包含電化學(xué)、新能源材料、增材制造、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等專業(yè)的復(fù)合型創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。公司創(chuàng)始人兼CEO王世明是原西安交大長春3D打印創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人、3D打印高級工程師；程康是公司首席設(shè)備技術(shù)官，曾任長春3D打印創(chuàng)新中心研發(fā)總監(jiān)；楊康是公司首席電池技術(shù)官，中山大學(xué)高分子化學(xué)與物理學(xué)博士，曾參與多項(xiàng)國家級新能源電池科研項(xiàng)目。目前公司共有15名員工。

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(dāng)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(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。

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！

本文地址：http://www.lbzrq0002.com/news/details877.html