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根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，3D打印用于電池的制造可以劃分為兩大派系，第一大派系如正文說(shuō)提到的通過(guò)創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀提升鋰電池的容量和充放電效率。第二大派系是通過(guò)3D打印諸如石墨烯等其他材料來(lái)尋找一種替代鋰電池的方法。不過(guò)目前主流發(fā)展方向是第一大派系3D打印鋰電池方向。

鋰電池的新技術(shù)跳躍

近日，作為美國(guó)能源部資助清潔能源技術(shù)研究的 5790 萬(wàn)美元計(jì)劃的一部分，加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli工程學(xué)院的材料科學(xué)家Bruce Dunn 和Morris Wang以及勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事從美國(guó)能源部獲得90萬(wàn)美元的資助展示用于制造鋰離子電池的新設(shè)計(jì)和3D打印工藝。


該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是通過(guò)增加可用功率、加快充電速度和降低制造成本，同時(shí)在過(guò)程中減少材料浪費(fèi)來(lái)改進(jìn)鋰離子電池。3D 打印允許創(chuàng)建更復(fù)雜的內(nèi)部電池結(jié)構(gòu)，可以存儲(chǔ)更多電力——這對(duì)新的制造工藝至關(guān)重要。

鋰離子電池具有出色的能量重量比，已經(jīng)在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車和一系列其他消費(fèi)產(chǎn)品中無(wú)處不在。但是，它們可以提供的功率和充電速度是還需要提升。

商業(yè)化進(jìn)程中的3D打印電池

自從 1990 年代鋰離子化學(xué)問(wèn)世以來(lái)，電池顯然取得了巨大的進(jìn)步，但每個(gè)人都希望可以解決三件事。首先，是價(jià)格，另一個(gè)重要的問(wèn)題是能量密度——如何讓電池容納更多電量，從而使它們更輕和/或更小。第三是讓電子設(shè)備的設(shè)計(jì)者在電池的尺寸和形狀上有更多的選擇。

近期內(nèi)3D 打印電池的進(jìn)步表明，未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)更便宜、能量密度更高的電池，這些電池可以根據(jù)應(yīng)用和形狀進(jìn)行定制。

3D打印電池的想法并不是全新的，實(shí)際上是由哈佛大學(xué) Jennifer A. Lewis 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于 2013 年提出的。他們創(chuàng)造了一個(gè)定制的打印機(jī)和特殊的陽(yáng)極和陰極墨水來(lái)生產(chǎn)鋰離子電池，但它只有一粒砂子那么大。

3D打印電池技術(shù)發(fā)展至今，不僅在“大局”上有不同之處，在最小的微米和納米級(jí)別上也有所不同。在納米級(jí)別，3D打印技術(shù)對(duì)電池電極的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大影響，這就是能量密度增加的原因。長(zhǎng)期以來(lái)，“多孔”電極可以提高能量密度，而增材制造非常適合該工藝，這意味著電極中的材料可以構(gòu)建成三維點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)。

晶格結(jié)構(gòu)可以為材料內(nèi)部的電解質(zhì)有效傳輸提供通道，就鋰離子電池而言，具有多孔結(jié)構(gòu)的電極可以帶來(lái)更高的充電容量，這種結(jié)構(gòu)允許鋰穿透電極體積，導(dǎo)致非常高的電極利用率，從而具有更高的能量存儲(chǔ)容量。在普通電池中，總電極體積的30%～50%未被利用，通過(guò)使用 3D 打印克服了這個(gè)問(wèn)題。此外，通過(guò)創(chuàng)建微晶格電極結(jié)構(gòu)，允許鋰通過(guò)整個(gè)電極有效傳輸，這也提高了電池充電率。點(diǎn)陣晶格意味著電極有更多的暴露表面積，從而帶來(lái)更高效的電池。

目前，市場(chǎng)上黑石技術(shù)的3D打印工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括顯著降低成本，提高電池尺寸的生產(chǎn)靈活性，以及使能量密度提高20%。3D打印使得電池架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀，這是朝著電化學(xué)能量存儲(chǔ)的幾何優(yōu)化配置邁出的重要一步。研究人員估計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將在兩三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

研發(fā)進(jìn)程中的3D打印電池

國(guó)際研究領(lǐng)域，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與密蘇里科技大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了一種革命性的 3D 打印電池電極新方法創(chuàng)建具有受控孔隙率的 3D 微晶格結(jié)構(gòu)。通過(guò) 3D 打印這種微晶格結(jié)構(gòu)，極大地提高了鋰離子電池的容量和充放電率。

3D 打印可用于制造鋰離子電池的多孔電極——但由于制造過(guò)程的性質(zhì)，這些 3D 打印電極的設(shè)計(jì)僅限于幾種可能的架構(gòu)。到目前為止，通過(guò)增材制造生產(chǎn)出最好的多孔電極的內(nèi)部幾何形狀是所謂的交叉幾何形狀——金屬叉頭像兩只緊握的手的手指一樣互鎖，鋰在兩側(cè)穿梭。

通過(guò)使用 3D 打印創(chuàng)建微晶格電極結(jié)構(gòu)，允許鋰通過(guò)整個(gè)電極有效傳輸，這也提高了電池充電率。3D打印還可以使得電池架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀，這是朝著電化學(xué)能量存儲(chǔ)的幾何優(yōu)化配置邁出的重要一步。

在3D打印鋰電池的工藝開(kāi)發(fā)方面，最新的發(fā)展是通過(guò)L-PBF激光粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)制造下一代鋰電池。的確，L-PBF 最初是為金屬零件的 3D 打印而開(kāi)發(fā)的， 美國(guó)LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家使用這種增材制造技術(shù)將正極粉末混合物熱粘合到鋁集流體上，并生成獨(dú)特的 3D 結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更快的充電和更高能量密度的電池。

根據(jù)LLNL，L-PBF激光粉末床熔融金屬3D打印工藝可以處理厚的高容量 3D 陰極結(jié)構(gòu)，使鋰離子電池能夠在 15 分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到 80% 的快速充電目標(biāo)?？茖W(xué)家計(jì)劃將這些發(fā)現(xiàn)也應(yīng)用于陽(yáng)極設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步探索其在全固態(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用。

3D打印電池過(guò)程是“對(duì)環(huán)境無(wú)害的”，是減少工業(yè)排放和制造清潔能源的技術(shù)。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，L-PBF激光粉末床熔融金屬3D打印工藝所帶來(lái)的干式增材制造技術(shù)具有高能效的特點(diǎn)，其產(chǎn)量是傳統(tǒng)漿料加工的 10 倍以上，可將鋰電池制造成本降低 50% 或更多。

基于漿料的加工涉及將含有活性材料、導(dǎo)電材料和聚合物粘結(jié)劑的懸浮液在溶劑中沉積到銅膜或鋁膜上（漿料制備和涂層）。隨后是電極（陽(yáng)極和陰極）的干燥、壓延和上漿，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要大量的監(jiān)控和控制。因此這個(gè)過(guò)程可以進(jìn)一步優(yōu)化，而AM-增材制造已被指定為對(duì)傳統(tǒng)電池制造工藝的改進(jìn)。

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原標(biāo)題：能源部90萬(wàn)美元資助加州大學(xué)材料科學(xué)家開(kāi)發(fā)3D 打印鋰離子電池