3D 打印技术是电池的未来吗？

3D 打印电池的优势

• 比传统锂电池更高的能量密度

• 可以制成不同的形状和尺寸

• 生产成本更低

• 减少浪费，提高可持续性

• 更安全 – 没有液体电解质变热

• 更长的使用寿命

什么是 3D 打印，它是如何工作的？

3D 打印也被称为增材制造，3D 打印是通过打印和分层源材料来创建三维物体的过程。这些图层强化并组成了数字文件中的目标对象。

第一台 3D 打印机是在 1980 年代发明的，与此同时，技术也在进步。3D 打印现在被用来创造很多东西，包括食物、衣服、家具，甚至假肢。

3D 打印材料包括塑料，金属，粉末，树脂，甚至是木材和石头。

传统锂离子电池的缺点

锂离子电池很有用，在日常生活中使用。手机、笔记本电脑、电动自行车、电动工具和太阳能备用存储都使用锂离子电池运行。

到 2050 年，全球将有 5000 万辆锂离子电池动力汽车。

然而，锂离子存在可持续性问题。生产商必须提取大量的锂来制造这些电池。天然供应并非取之不尽用之不竭。

提取和精炼过程是能源密集型和污染的。这会破坏土壤和大气，并对当地野生动物产生负面影响。

传统的锂电池很笨重，在尺寸或形状上几乎没有灵活性。在某些情况下，它们容易着火，并且很难回收。事实上，每 20 吨回收锂只能产生一吨可重复使用的锂。

用于制造传统锂离子电池的制造过程既浪费又昂贵。锂离子电池面临容量和能量密度问题。

因此，寻找更安全、更便宜和可持续的电池生产方法的竞赛正在进行中。3D 打印固态电池可能是答案。

固态电池与传统电池有何不同？

传统锂电池在成本和性能上与固态电池不同。但主要的结构区别在于电解质。

电解质形成屏障，将电池的正极（阴极）与负极（阳极）分开。

它是一种化合物，充当电流可以流动的介质。在传统电池中，电解质是液体，例如硫酸。在固态电池中，电解质是固体，例如陶瓷化合物。

固态电池在关键领域改进了传统锂离子。这些包括安全性、寿命、充电速度、充电周期和能量密度。

固态电池将超过当前电动汽车电池的寿命。这是一个不小的进步。

目前的估计预测将从 20 万英里扩展到大约 200 万英里。这比现在使用的锂离子电池长十倍。

固态电池的优点

传统电池的制造将四个独立的层卷成圆柱体。这些是导电材料、阴极、阳极和电解质。

这个过程被称为果冻辊结构，给这些材料带来了难以置信的压力。

为了在过程中完好无损地生存，它们被相对大量使用。因此，传统的锂离子电池体积大、重量大且制造成本高昂。

相比之下，固态电池的生产使用的材料较少。它们具有更高的能量密度，这意味着它们可以做得更小，但保持相同的能量。

3D 打印固态电池的优势

3D 打印通常比传统的制造方法更有效。传统的制造从其主要材料的大片开始。然后将其切割并削减成所需的数量。

这个过程会产生材料的废料边角料，这可能难以回收。

相比之下，3D 打印仅使用精确数量的源物质。这样可以将废料浪费减少 70% 到 90%，并使该过程成本更低。

即使使用固态电池，传统的制造方法也很复杂。需要极端的干燥和昂贵的机械。因此，它们尚未无处不在的原因。

3D 打印方法看起来更简单，更精简。它相对容易地制造电池。

3D 打印可以创建具有高度灵活性和可定制性的物体。制造商将设计和制造各种不同形状和尺寸的电池。因此，可以创建电池以适应设计，而不是设计师适应笨重的形状。

3D 打印的准确性是电池制造的巨大优势。精密印刷可以制造出具有微小孔隙、通道和晶格的电池。这些增加了电池的表面积，从而增加了其容量。

格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的工程师测试了 3D 打印锂电池。使用纳米和微尺度孔隙的结果表明，孔隙率为 70% 的电池的容量是其固体等效物的 2 至 3 倍。

发表在《电源杂志》上的结果解释了更多。

“我们在这项研究中使用的 3D 打印工艺为我们提供了对电极孔隙率的显着控制，使我们能够非常精确地设计一种新的超材料，能够解决当前一代锂离子电池的一些缺点。我们创造了一种具有高比容量和面容量的电池，具有出色的循环性。“

——Shanmugam Kumar 博士，格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院

这意味着需要较少量的锂来存储更多的电力。这对地球来说只能是好消息。

3D 打印电池的发展现状

全球有几家公司正在开发固态 3D 打印电池。加利福尼亚州的 Sakuú Corporation 和瑞士的 Blackstone Resources 是其中的两个领跑者。

佐久公司

这家科技公司制造了 3Ah 固态锂电池。这类似于目前用于手持式电动工具的电池。它使用 Sakuu 的专有技术一次性打印电池的每一层。这包括分离阳极和阴极的陶瓷电解质。

根据 Inceptivemind.com 的说法，Sakuú 声称他们的新 3D 打印电池“等于或更好”目前可用的电池。

目前的锂电池能量密度达到 500-700 Wh / L。而 Sakuú 预计他们的 3D 打印锂电池到 2023 年将达到 1200 Wh / L。

“使用全新的 3D 打印方法制造的安全，可持续和高性能 SSB 的到来可以解决关键的供应链和安全问题，同时超越当今锂离子电池的限制，”

—— 罗伯特・巴盖里，Sakuú 创始人兼首席执行官

黑石科技

黑石集团拥有处于先进发展的 3D 打印技术。它们制造用于液体电解质电池和固态电池的电极。

他们开发了厚层技术（TLT）。它生产的固态 3D 电池的能量密度比现有电池高 20%。Blackstone 的目标是将这一数字至少提高 100%。

“我们的 3D 打印电池使我们能够将电荷载流子的能量密度提高 20%，同时显着减少对环境的影响。该专利工艺基于生态、纯水基工艺，可减少 50% 的浪费。通过这种方式，我们正在为交通革命和应对气候变化做出重要而持久的贡献。

——Ulrich Ernst，Blackstone Resources 创始人兼首席执行官

结论

3D 打印已经彻底改变了制造业。而且在未来几年，它只会变得更加普遍。因此，3D 打印电池将成为电池技术领域的下一发展趋势。

本文来自微信公众号：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：Steve Brown ，编译：唐诗

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