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            【原創(chuàng)】鋰電池也能3D打?


            來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   長(zhǎng)安

            [導(dǎo)讀]  3D打印電池由哈佛大學(xué)Jennifer A.Lewis領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于2013年6月提出。

            中國(guó)粉體網(wǎng)訊  3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期,與普通打印工作原理基本相同,打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等打印材料,與電腦連接后,通過(guò)電腦控制把打印材料一層層疊加起來(lái),最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖以逐層打印的方式構(gòu)造出實(shí)物的技術(shù)。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型,該技術(shù)在珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、土木工程以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。


            3D打印電池實(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6月提出的。該課題組研發(fā)了一種氣動(dòng)式直寫3D打印機(jī),并且利用該打印機(jī)分別打印了正極材料為L(zhǎng)iFeP04,負(fù)極材料為L(zhǎng)i4Ti5012的片狀交錯(cuò)式的三維鋰離子電池。其原理是利用壓縮空氣作為動(dòng)力源將打印漿料從噴嘴中以連續(xù)細(xì)絲的形式擠出,通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件控制噴頭進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng),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(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示電池正負(fù)極的電導(dǎo)率分別為2.1×105Ω·cm和2.3×103Ω·cm,能量密度達(dá)到9.7J·cm-2,功率密度達(dá)到2.7mW·cm-2,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。


            哈佛大學(xué)科學(xué)家3D打印鋰電池示意圖(來(lái)源:許豐,《低溫直寫3D打印制備鋰離子電池高負(fù)載量多孔電極技術(shù)的研究》)


            3D打印電池優(yōu)勢(shì)


            (1)原材料易獲得,可以嘗試更多新型電池


            已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化或者尚處于實(shí)驗(yàn)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(shù)還能應(yīng)用于如柔性電池、固態(tài)電池、燃料電池等技術(shù)的突破。


            (2)設(shè)計(jì)更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)電池


            3D打印技術(shù)電池能夠從微米尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),電池幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。


            (3)提高能量密度


            由于3D打印電池可以實(shí)現(xiàn)離子或者電子擴(kuò)散路徑縮短,實(shí)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(shù)可以顯著減少材料浪費(fèi),并且節(jié)省潛在的生產(chǎn)耗時(shí),通過(guò)直接集成電池和微型電子設(shè)備來(lái)減少組裝和包裝的步驟;另外,多孔電極結(jié)構(gòu)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(shè)第一家位于德國(guó)的3D打印電池生產(chǎn)工廠,并且將結(jié)合德國(guó)的汽車制造業(yè)開發(fā)下一代電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池研發(fā)。2021年4月,黑石公司對(duì)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(shù),目標(biāo)是在2025年前將一種新的3D打印鈉離子電池推向市場(chǎng)。


            黑石公司3D打印鋰電池(來(lái)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(shè)鋰金屬固態(tài)電池生產(chǎn)試驗(yàn)線,投產(chǎn)后每年將能生產(chǎn)高達(dá)2.5兆瓦時(shí)的固態(tài)電池。Sakuu公司表示,該試驗(yàn)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(yáng)極電池已經(jīng)達(dá)到了基準(zhǔn)設(shè)定的800Wh/L能量密度,經(jīng)過(guò)廣泛測(cè)試后實(shí)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(guó)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(yīng)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(rèn)為,6K Energy的機(jī)會(huì)在于,一方面未來(lái)10年鋰電池市場(chǎng)將會(huì)增長(zhǎng)10倍,另一方面美國(guó)本土沒有鋰電池材料生產(chǎn)商!斑@對(duì)國(guó)家安全和行業(yè)都是一個(gè)問(wèn)題”。他還強(qiáng)調(diào),得益于3D打印技術(shù),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(jì)劃,6K Energy將于今年8月開設(shè)其耗資3000萬(wàn)美金的電池中心,推進(jìn)第一個(gè)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(guó)Photocentric


            2020年9月15日,英國(guó)3D打印機(jī)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(huì)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(yīng)用。2021年5月,Photocentric公司宣稱通過(guò)光聚合實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電極結(jié)構(gòu)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(fù)雜化和電池組輕量化的大門。該公司3D打印電池的過(guò)程與用光聚合工藝相似,電極是使用專有的光聚合樹脂進(jìn)行3D打印的,這種樹脂可作為商業(yè)電極粉末和導(dǎo)電添加劑的粘合劑。然后對(duì)生坯打印部件進(jìn)行清洗和固化,接著進(jìn)行脫膠和燒結(jié),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(gè)獨(dú)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(dòng)進(jìn)行的,避免了污染或損壞脆弱電極的風(fēng)險(xiǎn)。


            3D打印電極的工藝拓寬了電池和電池組幾何形狀的設(shè)計(jì)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(guó)交大高能


            長(zhǎng)春交大高能科技有限公司成立于2021年4月,由西安交大長(zhǎng)春3D打印創(chuàng)新中心孵化而來(lái)。公司擁有電極創(chuàng)新設(shè)計(jì)算法和電極材料微納3D打印等核心技術(shù),能夠提升動(dòng)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(shè)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(guó)等3D打印電池企業(yè)已走上工業(yè)化的道路,我國(guó)3D打印電池技術(shù)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(guó)供應(yīng)商,而中國(guó)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(guān)注3D打印技術(shù)在電池行業(yè)的應(yīng)用”。交大高能創(chuàng)始人王世明表示。3D打印電池市場(chǎng)的醞釀期已經(jīng)階段性結(jié)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(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段”。與之相對(duì)應(yīng)的是,中國(guó)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(yàn)證,正在建立示范生產(chǎn)線的階段。


            中國(guó)制造了全世界一多半的動(dòng)力電池,在技術(shù)、規(guī)模上處于領(lǐng)先地位,但這種領(lǐng)先也給了海外公司革新行業(yè)的動(dòng)力。外國(guó)對(duì)手很清楚,利用現(xiàn)有的制造手段超越中國(guó)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(guò)顛覆性技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)趕超。因此,對(duì)于我國(guó)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(chǎng)頭部!


            參考來(lái)源:


            純電俠,《當(dāng)動(dòng)力電池用上3D打印技術(shù),會(huì)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(dú)角獸不想活在“寧德時(shí)代”》

            電池中國(guó),《固態(tài)電池新時(shí)代!Sakuu將建3D打印固態(tài)電池試驗(yàn)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(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)》

            許豐,《低溫直寫3D打印制備鋰離子電池高負(fù)載量多孔電極技術(shù)的研究》


            (中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安)

            注:圖片非商業(yè)用途,存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除!

            推薦16

            作者:長(zhǎng)安

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