中国粉体网讯 3D打印技术最早出现在20世纪90年代中期，与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等打印材料，与电脑连接后，通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图以逐层打印的方式构造出实物的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，该技术在珠宝、工业设计、汽车、航空航天、医疗产业、土木工程以及其他领域都有所应用。
3D打印电池实际上是由哈佛大学Jennifer A.Lewis领导的团队于2013年6月提出的。该课题组研发了一种气动式直写3D打印机，并且利用该打印机分别打印了正极材料为LiFeP04，负极材料为Li4Ti5012的片状交错式的三维锂离子电池。其原理是利用压缩空气作为动力源将打印浆料从喷嘴中以连续细丝的形式挤出，通过计算机辅助软件控制喷头进行三维运动，最终打印出锂电池。打印出的电池分别为8层和16层，电化学性能测试结果显示电池正负极的电导率分别为2.1×105Ω·cm和2.3×103Ω·cm，能量密度达到9.7J·cm-2，功率密度达到2.7mW·cm-2，表现出优异的电化学性能。
哈佛大学科学家3D打印锂电池示意图（来源：许丰，《低温直写3D打印制备锂离子电池高负载量多孔电极技术的研究》）
3D打印电池优势
（1）原材料易获得，可以尝试更多新型电池
已实现商业化或者尚处于实验室阶段的电池有三元锂电池、磷酸铁锂电池、钠电池等，3D打印技术还能应用于如柔性电池、固态电池、燃料电池等技术的突破。
（2）设计更多复杂结构电池
3D打印技术电池能够从微米尺寸进行设计，电池几何结构设计自由度大大提高，甚至让电池占据更少的车身体积，改良新能源汽车内部结构设计。
（3）提高能量密度
由于3D打印电池可以实现离子或者电子扩散路径缩短，实现更高的功率能量密度、体积能量密度，提高续航能力。
（4）成本低、更安全
3D打印技术可以显著减少材料浪费，并且节省潜在的生产耗时，通过直接集成电池和微型电子设备来减少组装和包装的步骤；另外，多孔电极结构使电芯内部散热性更好。
3D打印电池产业化
（1）瑞士黑石公司
瑞士黑石公司在2020年11月已开设第一家位于德国的3D打印电池生产工厂，并且将结合德国的汽车制造业开发下一代电动汽车的动力电池研发。2021年4月，黑石公司对外宣称已成功打印首款可工作的锂离子固态电池，并且下一步黑石公司将专注于研发3D打印钠离子电池技术，目标是在2025年前将一种新的3D打印钠离子电池推向市场。
黑石公司3D打印锂电池（来源：黑石科技）
（2）日本Sakuu
Sakuu（前身为KeraCel）在日本汽车制造商武藏精密工业的支持下，开发了3D打印锂金属固态电池。去年，Sakuu公司宣布开始建设锂金属固态电池生产试验线，投产后每年将能生产高达2.5兆瓦时的固态电池。Sakuu公司表示，该试验线是为了证明电池制造工艺的可行性，并向其战略伙伴提供样品产品。2022年6月，Sakuu宣布其3D打印锂金属阳极电池已经达到了基准设定的800Wh/L能量密度，经过广泛测试后实现了连续3C放电率，将于2022年第四季度上市。
Sakuu 3D打印电池（图源：Sakuu）
（3）美国6K Energy
6K Energy是一家3D打印材料研发商，并拥有一种名为“UniMelt系统”的微波等离子生产工艺，能够以快速、环保的形式生产电池材料。如果这种工艺应用于电池阴极材料制作，能够减少90%的用水量，能耗和温室气体排放量也能减少三分之二以上。6K Energy的CEO亚伦·本特认为，6K Energy的机会在于，一方面未来10年锂电池市场将会增长10倍，另一方面美国本土没有锂电池材料生产商。“这对国家安全和行业都是一个问题”。他还强调，得益于3D打印技术，6K Energy是唯一一家能以低于亚洲（生产商）的成本生产电池材料的公司。按照计划，6K Energy将于今年8月开设其耗资3000万美金的电池中心，推进第一个产能规划为10-20GWh电池阴极工厂的选址，并于2024年初投产。
6K Energy的UniMelt工艺系统（图源：Manufactur3D）
（4）英国Photocentric
2020年9月15日，英国3D打印机和材料制造商Photocentric宣布成立3D打印电池研究部门，致力于开发环保的3D打印电池，并表示会持续加大投资力度，优化3D打印燃料电池在汽车中的应用。2021年5月，Photocentric公司宣称通过光聚合实现对电池电极结构的精确控制，已经为新能源汽车和更多的产品打开了新型电池几何形状复杂化和电池组轻量化的大门。该公司3D打印电池的过程与用光聚合工艺相似，电极是使用专有的光聚合树脂进行3D打印的，这种树脂可作为商业电极粉末和导电添加剂的粘合剂。然后对生坯打印部件进行清洗和固化，接着进行脱胶和烧结，以去除聚合物，只留下活性电极材料。此外，公司开发了一个独立的3D打印电池系统，部件从打印到清洗和后处理都是自动进行的，避免了污染或损坏脆弱电极的风险。
3D打印电极的工艺拓宽了电池和电池组几何形状的设计可能性，并且可以获得更好的能量密度和性能（图源：Photocentric）
（5）中国交大高能
长春交大高能科技有限公司成立于2021年4月，由西安交大长春3D打印创新中心孵化而来。公司拥有电极创新设计算法和电极材料微纳3D打印等核心技术，能够提升动力电池的安全性能、提高50%以上的能量密度、降低40%以上的生产成本。但是，交大高能并不直接制造电池，而是帮助电池企业制造出更好的电池--其产品是3D打印设备，以及为电池厂提供“数字化智造系统”。
交大高能3D打印电池产品（图源：交大高能）
写在最后
相比于欧洲、美国等3D打印电池企业已走上工业化的道路，我国3D打印电池技术水平尚且薄弱，产业仍处于孵化阶段。
“海外的电池企业想颠覆中国供应商，而中国的中小电池企业也想颠覆头部的电池巨头，所以他们都关注3D打印技术在电池行业的应用”。交大高能创始人王世明表示。3D打印电池市场的酝酿期已经阶段性结束，正在接近爆发期前夜，“海外已经有两三家公司很快就将进入大规模量产阶段”。与之相对应的是，中国的3D打印电池企业，包括交大高能已落后欧美1-2年，目前才完成验证，正在建立示范生产线的阶段。
中国制造了全世界一多半的动力电池，在技术、规模上处于领先地位，但这种领先也给了海外公司革新行业的动力。外国对手很清楚，利用现有的制造手段超越中国电池产业链的可能性较小，而他们拥有更好的创新土壤，就想通过颠覆性技术来实现赶超。因此，对于我国3D打印电池产业，期望尽快步入商业化生产道路，继续占据全球电池企业市场头部！
参考来源：
纯电侠，《当动力电池用上3D打印技术，会引发怎样的工业革命？》
创业邦，《汽车电池也能3D打印？这家新晋独角兽不想活在“宁德时代”》
电池中国，《固态电池新时代！Sakuu将建3D打印固态电池试验线》
刘奇等，《3D打印锂电池的研究现状及前景展望》
王晓燕等，《3D打印在新能源汽车制造领域的应用与发展趋势》
许丰，《低温直写3D打印制备锂离子电池高负载量多孔电极技术的研究》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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