中國粉體網(wǎng)訊 3D打印技術最早出現(xiàn)在20世紀90年代中期，與普通打印工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖以逐層打印的方式構造出實物的技術。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，該技術在珠寶、工業(yè)設計、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、土木工程以及其他領域都有所應用。
3D打印電池實際上是由哈佛大學Jennifer A.Lewis領導的團隊于2013年6月提出的。該課題組研發(fā)了一種氣動式直寫3D打印機，并且利用該打印機分別打印了正極材料為LiFeP04，負極材料為Li4Ti5012的片狀交錯式的三維鋰離子電池。其原理是利用壓縮空氣作為動力源將打印漿料從噴嘴中以連續(xù)細絲的形式擠出，通過計算機輔助軟件控制噴頭進行三維運動，最終打印出鋰電池。打印出的電池分別為8層和16層，電化學性能測試結果顯示電池正負極的電導率分別為2.1×105Ω·cm和2.3×103Ω·cm，能量密度達到9.7J·cm-2，功率密度達到2.7mW·cm-2，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。
哈佛大學科學家3D打印鋰電池示意圖（來源：許豐，《低溫直寫3D打印制備鋰離子電池高負載量多孔電極技術的研究》）
3D打印電池優(yōu)勢
（1）原材料易獲得，可以嘗試更多新型電池
已實現(xiàn)商業(yè)化或者尚處于實驗室階段的電池有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈉電池等，3D打印技術還能應用于如柔性電池、固態(tài)電池、燃料電池等技術的突破。
（2）設計更多復雜結構電池
3D打印技術電池能夠從微米尺寸進行設計，電池幾何結構設計自由度大大提高，甚至讓電池占據(jù)更少的車身體積，改良新能源汽車內(nèi)部結構設計。
（3）提高能量密度
由于3D打印電池可以實現(xiàn)離子或者電子擴散路徑縮短，實現(xiàn)更高的功率能量密度、體積能量密度，提高續(xù)航能力。
（4）成本低、更安全
3D打印技術可以顯著減少材料浪費，并且節(jié)省潛在的生產(chǎn)耗時，通過直接集成電池和微型電子設備來減少組裝和包裝的步驟；另外，多孔電極結構使電芯內(nèi)部散熱性更好。
3D打印電池產(chǎn)業(yè)化
（1）瑞士黑石公司
瑞士黑石公司在2020年11月已開設第一家位于德國的3D打印電池生產(chǎn)工廠，并且將結合德國的汽車制造業(yè)開發(fā)下一代電動汽車的動力電池研發(fā)。2021年4月，黑石公司對外宣稱已成功打印首款可工作的鋰離子固態(tài)電池，并且下一步黑石公司將專注于研發(fā)3D打印鈉離子電池技術，目標是在2025年前將一種新的3D打印鈉離子電池推向市場。
黑石公司3D打印鋰電池（來源：黑石科技）
（2）日本Sakuu
Sakuu（前身為KeraCel）在日本汽車制造商武藏精密工業(yè)的支持下，開發(fā)了3D打印鋰金屬固態(tài)電池。去年，Sakuu公司宣布開始建設鋰金屬固態(tài)電池生產(chǎn)試驗線，投產(chǎn)后每年將能生產(chǎn)高達2.5兆瓦時的固態(tài)電池。Sakuu公司表示，該試驗線是為了證明電池制造工藝的可行性，并向其戰(zhàn)略伙伴提供樣品產(chǎn)品。2022年6月，Sakuu宣布其3D打印鋰金屬陽極電池已經(jīng)達到了基準設定的800Wh/L能量密度，經(jīng)過廣泛測試后實現(xiàn)了連續(xù)3C放電率，將于2022年第四季度上市。
Sakuu 3D打印電池（圖源：Sakuu）
（3）美國6K Energy
6K Energy是一家3D打印材料研發(fā)商，并擁有一種名為“UniMelt系統(tǒng)”的微波等離子生產(chǎn)工藝，能夠以快速、環(huán)保的形式生產(chǎn)電池材料。如果這種工藝應用于電池陰極材料制作，能夠減少90%的用水量，能耗和溫室氣體排放量也能減少三分之二以上。6K Energy的CEO亞倫·本特認為，6K Energy的機會在于，一方面未來10年鋰電池市場將會增長10倍，另一方面美國本土沒有鋰電池材料生產(chǎn)商。“這對國家安全和行業(yè)都是一個問題”。他還強調(diào)，得益于3D打印技術，6K Energy是唯一一家能以低于亞洲（生產(chǎn)商）的成本生產(chǎn)電池材料的公司。按照計劃，6K Energy將于今年8月開設其耗資3000萬美金的電池中心，推進第一個產(chǎn)能規(guī)劃為10-20GWh電池陰極工廠的選址，并于2024年初投產(chǎn)。
6K Energy的UniMelt工藝系統(tǒng)（圖源：Manufactur3D）
（4）英國Photocentric
2020年9月15日，英國3D打印機和材料制造商Photocentric宣布成立3D打印電池研究部門，致力于開發(fā)環(huán)保的3D打印電池，并表示會持續(xù)加大投資力度，優(yōu)化3D打印燃料電池在汽車中的應用。2021年5月，Photocentric公司宣稱通過光聚合實現(xiàn)對電池電極結構的精確控制，已經(jīng)為新能源汽車和更多的產(chǎn)品打開了新型電池幾何形狀復雜化和電池組輕量化的大門。該公司3D打印電池的過程與用光聚合工藝相似，電極是使用專有的光聚合樹脂進行3D打印的，這種樹脂可作為商業(yè)電極粉末和導電添加劑的粘合劑。然后對生坯打印部件進行清洗和固化，接著進行脫膠和燒結，以去除聚合物，只留下活性電極材料。此外，公司開發(fā)了一個獨立的3D打印電池系統(tǒng)，部件從打印到清洗和后處理都是自動進行的，避免了污染或損壞脆弱電極的風險。
3D打印電極的工藝拓寬了電池和電池組幾何形狀的設計可能性，并且可以獲得更好的能量密度和性能（圖源：Photocentric）
（5）中國交大高能
長春交大高能科技有限公司成立于2021年4月，由西安交大長春3D打印創(chuàng)新中心孵化而來。公司擁有電極創(chuàng)新設計算法和電極材料微納3D打印等核心技術，能夠提升動力電池的安全性能、提高50%以上的能量密度、降低40%以上的生產(chǎn)成本。但是，交大高能并不直接制造電池，而是幫助電池企業(yè)制造出更好的電池--其產(chǎn)品是3D打印設備，以及為電池廠提供“數(shù)字化智造系統(tǒng)”。
交大高能3D打印電池產(chǎn)品（圖源：交大高能）
寫在最后
相比于歐洲、美國等3D打印電池企業(yè)已走上工業(yè)化的道路，我國3D打印電池技術水平尚且薄弱，產(chǎn)業(yè)仍處于孵化階段。
“海外的電池企業(yè)想顛覆中國供應商，而中國的中小電池企業(yè)也想顛覆頭部的電池巨頭，所以他們都關注3D打印技術在電池行業(yè)的應用”。交大高能創(chuàng)始人王世明表示。3D打印電池市場的醞釀期已經(jīng)階段性結束，正在接近爆發(fā)期前夜，“海外已經(jīng)有兩三家公司很快就將進入大規(guī)模量產(chǎn)階段”。與之相對應的是，中國的3D打印電池企業(yè)，包括交大高能已落后歐美1-2年，目前才完成驗證，正在建立示范生產(chǎn)線的階段。
中國制造了全世界一多半的動力電池，在技術、規(guī)模上處于領先地位，但這種領先也給了海外公司革新行業(yè)的動力。外國對手很清楚，利用現(xiàn)有的制造手段超越中國電池產(chǎn)業(yè)鏈的可能性較小，而他們擁有更好的創(chuàng)新土壤，就想通過顛覆性技術來實現(xiàn)趕超。因此，對于我國3D打印電池產(chǎn)業(yè)，期望盡快步入商業(yè)化生產(chǎn)道路，繼續(xù)占據(jù)全球電池企業(yè)市場頭部！
參考來源：
純電俠，《當動力電池用上3D打印技術，會引發(fā)怎樣的工業(yè)革命？》
創(chuàng)業(yè)邦，《汽車電池也能3D打印？這家新晉獨角獸不想活在“寧德時代”》
電池中國，《固態(tài)電池新時代！Sakuu將建3D打印固態(tài)電池試驗線》
劉奇等，《3D打印鋰電池的研究現(xiàn)狀及前景展望》
王曉燕等，《3D打印在新能源汽車制造領域的應用與發(fā)展趨勢》
許豐，《低溫直寫3D打印制備鋰離子電池高負載量多孔電極技術的研究》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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