導讀：近期有大量用戶向南極熊索要電池3D打印的有關(guān)資料，希望了解里面的技術(shù)工藝和應(yīng)用價值。我們整理放出部分PPT資料，希望可以引發(fā)更多的關(guān)注和思考。
電極厚度小于100 μm
使用大量集流體（鋁箔和銅箔）
使用大量隔膜（聚乙烯）
為了提高電池的能量密度，目前大家共同的技術(shù)路線是用更薄的集流體，減少其所占的體積和質(zhì)量，現(xiàn)在集流體做到6微米，隔膜也更薄做到10微米，然后再把電芯做大，就意味著電池的外殼封裝的體積在整個電池中的占比減小了：
更薄的集流體（薄至6 μm）
更薄的隔膜（薄至10 μm）
更大的單體電芯尺寸
特斯拉4680電池：直徑46mm高度80mm
比亞迪刀片電池：905mm*118mm*13.5mm
電池中有集流體把電流收集起來，有正極、有隔膜、有負極、有電解質(zhì)，這些材料實際上性能差異很大。不同的材料體系，帶來的能量密度、安全性等都不一樣。
鋰金屬全固態(tài)電池等新技術(shù)，雖然現(xiàn)在還沒有商用，但是這些都是未來的重要方向。
3D打印如何賦能電池制造？
3D打印賦能電極結(jié)構(gòu)/電池構(gòu)型創(chuàng)新
3D打印促進電池原型快速研發(fā)
3D打印個性化/異形電池快速制造
面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
3D打印賦能結(jié)構(gòu)/電池/電路曲面共形設(shè)計
那么，鋰電池究竟和3D打印之間如何產(chǎn)生結(jié)合點？那邊，先來看看常用的3D打印技術(shù)包括：漿料直寫、噴墨打印、光聚合打印、熔融擠出、粘結(jié)劑噴射、激光選區(qū)燒結(jié)、氣溶膠3D打印等。
兩者之間的結(jié)合，可以追溯到2013年，當時哈佛大學發(fā)表了一篇論文，科研人員使用漿料直寫3D打印技術(shù)，制作了一個電池的原型，此后全球眾多科研機構(gòu)和企業(yè)開始了3D打印鋰電池方面的研究。
可以用3D打印技術(shù)來做電極的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，或者叫電池的構(gòu)型創(chuàng)新。以往的時候電極很薄，要用大量的鋁箔銅箔集流體。如果讓電量有效載荷比例變大，那么就可以提高能量密度。但是它做厚了之后，實際上鋰離子擴展很慢，半天走不出來，來不及，所以可以把電極創(chuàng)新一下。比如說在里面修一個通道，然后電子離子可以很快從通道里面過去，或者說把疊在一起的構(gòu)型，通過交叉，讓電極離子橫向擴散，就不需要跑那么遠了，只需要在附近跑就行了。
在過去十年的研究中，人們嘗試了各種不同的3D打印技術(shù)來制作電池。
其中，光固化3D打印技術(shù)用于鋰電池制造，有四種方式：
1. 光固化制備凝膠態(tài)聚合物電解質(zhì)；
2. 光固化打印光敏樹脂+高溫裂解獲得碳晶格；
3. 光固化打印光敏樹脂前驅(qū)體+高溫煅燒獲得三維電極；
4. 光固化打印含活性材料光敏樹脂獲得三維電極。
FDM 3D打印技術(shù)用于鋰電池制造，一般是將石墨烯、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰等電池材料，混入PLA、TPU等高分子材料中，然后通過FDM 3D打印機來打印成型，獲得電極結(jié)構(gòu)，再想辦法去除其中的高分子材料。
SLS激光燒結(jié)技術(shù)則曾被用于Ni-Co-Al三元材料的3D打印，使用1KW光纖激光器（1070nm）進行燒結(jié)。
粘結(jié)劑噴射技術(shù)，實際上有點像常規(guī)的電池材料體系，也是將活性材料、粘結(jié)劑、導電劑混合，然后通過粘接機噴射方式來打印成型。怎么能夠用這個技術(shù)把多材料多功能的復雜部件能夠給它做出來，這是一個很大的挑戰(zhàn)。
目前，用的最廣的還是漿料直寫這種3D打印技術(shù)，常規(guī)的電池制造也是將電極材料做成漿料，然后進行涂布。而現(xiàn)在是通過3D打印的方式把它擠出來，從而控制其形狀結(jié)構(gòu)。漿料直寫這種技術(shù)對于材料的適用性最廣，科研領(lǐng)域大家基本上都在用這種方法，但這種方法也存在很多問題，比如打印精度和效率方面還不是特別高。
另外一種方式是金屬3D打印，將銅、鋁等直接打印成晶格結(jié)構(gòu)，作為集流體，然后將活性材料灌進去，成為電極。鋁合金、銅合金輕量化點陣結(jié)構(gòu)作為負載活性物質(zhì)的三維集流體。
最后一種叫氣溶膠噴射的技術(shù)，國外有這方面的研究，曾經(jīng)被用來打印磷酸鐵鋰、鈦酸鋰，還可以打印在曲面上面。
以上就是過去十年，科研人員在探索怎么能夠用3D打印的方式來制作電池的一些思路和取得的成果。未來3D打印該如何賦能電池制造？劉長勇總結(jié)了五個方面：
●3D打印賦能電極結(jié)構(gòu)/電池構(gòu)型創(chuàng)新
●3D打印促進電池原型快速研發(fā)
●3D打印個性化/異形電池快速制造
●面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
●3D打印賦能結(jié)構(gòu)/電池/電路曲面共形設(shè)計
△通過3D打印來制作厚電極，從而提高活性材料的占比，通過電池構(gòu)型創(chuàng)新來提高能量密度
△將涂布的平面電極轉(zhuǎn)換為3D打印的三維結(jié)構(gòu)電極
△用于電池原型的3D打印驗證
3D打印電池做原型驗證，然后到批量化的時候還是傳統(tǒng)工藝，批量化的時候它又存在制造問題。實際上我們現(xiàn)在3D打印電池，沒辦法反映任何傳統(tǒng)工藝制造中存在的問題，開發(fā)一個新品種的電池，它存在的制造問題仍然要解決一遍，這點會阻礙廠商去用3D打印技術(shù)來制造電池。
△形狀/結(jié)構(gòu)/尺寸可定制化電池；為產(chǎn)品優(yōu)化帶來更多的可能性
△面向可穿戴應(yīng)用的3D打印柔性電池制造
△3D打印賦能結(jié)構(gòu)/電池/電路曲面共形設(shè)計
很多軍工上的產(chǎn)品，尤其是飛機，它前面是一個雷達天線罩，要在一個曲面上要把結(jié)構(gòu)件、電路、天線很多東西都要集成，如果可以做到這種結(jié)構(gòu)電池電路，全面都是曲面共形這種設(shè)計的話，將是非常有潛力的一種技術(shù)，當然這個是很難解決的，我以前也想過這個問題，但是并沒有很好的方案。
實際上，從2017年開始，深圳大學增材制造研究所就開始研究鋰電池3D打印，并獲得了國家自然科學基金的支持。劉長勇表示，實驗室基于之前研發(fā)的低溫3D生物打印技術(shù)，進一步研發(fā)了可用于鋰電池3D打印的低溫直寫設(shè)備，可以打印各種各樣的電極并發(fā)表了諸多相關(guān)論文。
3D打印鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢-深圳大學-劉長勇-對外公布_20230717203837.pdf 下載地址https://www.nanjixiong.com/thread-163655-1-1.html
△劉長勇副教授報告視頻
電池3D打印的未來
新能源電池的制造有什么痛點？有哪些是3D打印適合應(yīng)用的？
投資機構(gòu)如何看待電池3D打印這個新興領(lǐng)域
什么樣的技術(shù)路線能達標質(zhì)量要求？
什么樣的技術(shù)路線可以達到批量化生產(chǎn)要求？
產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，有哪些技術(shù)難點？
量產(chǎn)達標，各個路線怎么控制，達到量產(chǎn)/成本/效率的平衡？
這是一場非常具有前瞻性的大會。讓南極熊印象深刻的是，來參加會議的多數(shù)嘉賓，全程都在非常認真得聆聽，居然極少中途上廁所；由于干貨內(nèi)容信息量大，甚至還有不少人做了好幾頁的筆記，都希望可以更早地看見新能源電池產(chǎn)業(yè)結(jié)合3D打印技術(shù)的未來。
南極熊希望，可以通過本次大會，啟發(fā)一部分人去關(guān)注、去研究、甚至去從事電池3D打印的相關(guān)工作，結(jié)合新能源這個萬億級市場的大領(lǐng)域，做出突破。
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