全固態(tài)電池作為一種新型電池技術，在近年來得到了廣泛的關注和研究。相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池，全固態(tài)電池具有更高的能量密度、更快的充放電速度和更好的安全性能。

但全固態(tài)電池在發(fā)展過程中面臨著一些棘手的問題，其中解決電池界面的問題成為關鍵，包括固態(tài)電解質和電極材料之間的界面副反應和界面穩(wěn)定性。此外，全固態(tài)電池的制造成本和循環(huán)壽命也需要進一步優(yōu)化和改進。

3D打印技術在電池領域的應用

3D打印作為一種新型制造技術，它可以無須依賴任何模板精確控制從微觀到宏觀的形狀與結構，從而提高電池的能量密度和功率密度。隨著3D打印技術的迅速發(fā)展，越來越多的研究者開始嘗試使用3D打印技術來制備全固態(tài)電池，為固態(tài)電池的量產(chǎn)提供了更多可能。

3D打印電池材料和工藝概覽

它具有以下幾個方面的顯著優(yōu)勢：(1) 制造所需的復雜結構；(2) 精確控制電極形狀和厚度；(3) 打印固態(tài)電解質結構穩(wěn)定性高，操作安全；(4) 低成本、環(huán)保、易操作；(5) 通過直接集成電池和其他電子產(chǎn)品，消除設備組裝和包裝步驟。

1

3D打印技術

目前，用于固態(tài)電池的3D打印技術主要是粘結劑（或漿料）噴射成型、粉末激光燒結技術SLS和光固化成型SLA\DLP。

粘結劑（或漿料）噴射成型

可以直接將粘結劑通過噴嘴選擇性噴射到集流體上的電極粉末表面，然后將粉末材料粘結在一起形成實體層，逐層粘結，最終形成3D電極。通過來回兩三次就可以粘結一個薄層的極片，下一層粉末可以是同樣的材料也可以是電解質的材料。從而實現(xiàn)干法電極的制造或者是全固態(tài)電池的制造，通過層層疊加不斷的粘結每一個平面，可以制造出任意形狀的電極或者電池。

粉末激光燒結技術SLS

SLS的打印過程就是通過高功率的激光束照射燒結粉末材料，激光照射到的地方就會迅速融化粘結成型，沒有照射到的還是粉末可以回收利用。在這樣一個打印平臺上可以實現(xiàn)多個電極片的制造。

此方法與粘結劑（或漿料）噴射成型技術都有望實現(xiàn)干法電極的制造。

光固化成型SLA\DLP

原理是通過紫外光或是光面照射固態(tài)電池的聚合物電解質或是有機無機混合電解質，使其逐層固化，疊加成型。但因為目前材料開發(fā)未完成，需要添加一些不具功能性的光聚合材料，會降低電池性能，所以應用范圍有限。

2

3D打印固態(tài)電池

3D打印在固態(tài)電池的應用中是一項很有前景的技術。由于該技術可以使用不同種類的打印材料，這使得研究人員可以改變電池中的電極、電解質、隔膜和堆疊的三維結構。

正極設計

利用3D打印技術可設計鋰電池正極材料，實現(xiàn)二維電極向三維電極可控轉變，可提高電極表面活性，縮短離子傳輸距離，實現(xiàn)高載量正極制備。此外，對正極材料厚度的可控性可實現(xiàn)對材料活性物質質量的可調，最終實現(xiàn)高能量密度以及高功率密度的鋰電池目標。

3D打印電池正負極

結構化負極

在鋰電池負極的應用上，通過3D打印構筑結構化鋰金屬負極，可增大電極的比表面積，將總電場均勻地分布在整個多孔電極中，達到降低有效電流密度、均勻沉積和抑制電極體積膨脹的目的，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性與安全性。另外，利用3D打印技術可實現(xiàn)打印材料形貌可控和模板的設計，利用電化學沉積或者熔融法可有效地控制金屬鋰的沉積 / 溶解行為，抑制鋰枝晶生長從而達到鋰金屬電池長壽命循環(huán)的目標，解決電池短路問題。

隔膜/固態(tài)電解質設計

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，電池的電解質也可以直接打印，從而減少了制造程序、時間和成本。但由于空氣穩(wěn)定性的限制，硫化物和鹵化物電解質可能不太適合被打印。因此，聚合物和氧化物電解質是有希望在全固態(tài)電池中進行3D打印的一類固態(tài)電解質。
3D打印隔膜可實現(xiàn)隔膜結構合理化設計和均勻的離子通量，減少鋰枝晶的形成。為了使固態(tài)鋰電池也獲得高的離子電導率，通常需要將固體電解質摻入正極的活性材料中，這種固-固結合的界面必須是無縫且具有足夠的靈活性，以滿足充放電過程中所造成的幾何變化。3D打印可精細優(yōu)化界面結構，滿足固態(tài)鋰金屬電池中嚴苛的固-固界面要求。

3

企業(yè)進展

Sakuú

Sakuú是一家位于硅谷的創(chuàng)新電池公司，該公司正致力于將3D打印固態(tài)電池推向市場。Sakuu在2023年2月16日宣布，自2022年12月以來，Sakuú已經(jīng)成功地在其硅谷電池試驗工廠以完全干燥的工藝連續(xù)制造出定制形狀和尺寸的3D打印全功能電池。

Sakuú發(fā)明了一種完全工業(yè)化的電池印刷工藝，使用專利的多材料、多層方法，采用并行和干燥工藝，而不是慢得多的層對層印刷或絲網(wǎng)印刷。Sakuú的發(fā)明可以提供低成本、高速的制造能力，以及形狀和形式的靈活性，同時還可以提供對客戶最重要的核心類別的電池。

Blackstone

專注于電池技術的瑞士投資公司Blackstone Resources于2019年成立了自己的德國研發(fā)子公司黑石科技（Blackstone Technology）。

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；2021年11月，黑石公司在薩克森州Döbeln的工廠開始批量生產(chǎn)3D打印鋰基液體電解質電池。同時，還將使用3D打印生產(chǎn)下一代電池：固態(tài)鈉電池；2022年3月，該公司宣布，預計最早于2025年將3D打印的鈉離子電池商業(yè)化。除了軟包電池外，還將生產(chǎn)棱柱形電池。

Photocentric

2020年9月15日， 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。Photocentric自2020年以來已獲得數(shù)百萬政府投資，用于開發(fā)新型工業(yè)3D打印機，以制造用于電動汽車的固態(tài)電池。Photocentric的技術仍處于研發(fā)階段，與 Sakuú或Blackstone的不同，它基于使用光聚合物的樹脂3D打印。

到目前為止，Photocentric已將聚合物電解質粘合劑以及陽極和陰極粉末開發(fā)成可印刷的光聚合物樹脂。其正在申請專利的方法有望為英國市場低成本大規(guī)模生產(chǎn)輕型電池。

高能數(shù)造

高能數(shù)造（西安）技術有限公司成立于2021年，是國內一家聚焦并推出新能源電池數(shù)字制造平臺的產(chǎn)業(yè)化公司。公司自主開發(fā)了漿料擠出層疊SEL增材制造技術，這項技術實現(xiàn)了低成本、高效率制造復雜形狀的電池，并擁有獨特設計的3D結構。并同時推出了可根據(jù)用戶需求定制的電池專用3D打印機。公司自主研發(fā)了全固態(tài)電池一體化制造裝備和全固態(tài)電池中試化生產(chǎn)平臺。

結語

相比傳統(tǒng)制備方法，3D打印技術具有制造復雜形狀的電池結構的特性，可精確控制電池中固態(tài)電解質厚度和形狀，能夠大幅減少制造工序，成為固態(tài)電池制造領域的一個新方向。目前，固態(tài)電池仍然存在一些制造和商業(yè)化方面的挑戰(zhàn)，3D打印技術仍處于發(fā)展階段，成本、穩(wěn)定性、可靠性和生產(chǎn)規(guī)模等問題需要進一步地研究和改進。

文章來源：粉體網(wǎng)

全固態(tài)電池作為一種新型電池技術，在近年來得到了廣泛的關注和研究。相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池，全固態(tài)電池具有更高的能量密度、更快的充放電速度和更好的安全性能。

但全固態(tài)電池在發(fā)展過程中面臨著一些棘手的問題，其中解決電池界面的問題成為關鍵，包括固態(tài)電解質和電極材料之間的界面副反應和界面穩(wěn)定性。此外，全固態(tài)電池的制造成本和循環(huán)壽命也需要進一步優(yōu)化和改進。

3D打印技術在電池領域的應用

3D打印作為一種新型制造技術，它可以無須依賴任何模板精確控制從微觀到宏觀的形狀與結構，從而提高電池的能量密度和功率密度。隨著3D打印技術的迅速發(fā)展，越來越多的研究者開始嘗試使用3D打印技術來制備全固態(tài)電池，為固態(tài)電池的量產(chǎn)提供了更多可能。

3D打印電池材料和工藝概覽

它具有以下幾個方面的顯著優(yōu)勢：(1) 制造所需的復雜結構；(2) 精確控制電極形狀和厚度；(3) 打印固態(tài)電解質結構穩(wěn)定性高，操作安全；(4) 低成本、環(huán)保、易操作；(5) 通過直接集成電池和其他電子產(chǎn)品，消除設備組裝和包裝步驟。

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3D打印技術

目前，用于固態(tài)電池的3D打印技術主要是粘結劑（或漿料）噴射成型、粉末激光燒結技術SLS和光固化成型SLA\DLP。

粘結劑（或漿料）噴射成型

可以直接將粘結劑通過噴嘴選擇性噴射到集流體上的電極粉末表面，然后將粉末材料粘結在一起形成實體層，逐層粘結，最終形成3D電極。通過來回兩三次就可以粘結一個薄層的極片，下一層粉末可以是同樣的材料也可以是電解質的材料。從而實現(xiàn)干法電極的制造或者是全固態(tài)電池的制造，通過層層疊加不斷的粘結每一個平面，可以制造出任意形狀的電極或者電池。

粉末激光燒結技術SLS

SLS的打印過程就是通過高功率的激光束照射燒結粉末材料，激光照射到的地方就會迅速融化粘結成型，沒有照射到的還是粉末可以回收利用。在這樣一個打印平臺上可以實現(xiàn)多個電極片的制造。

此方法與粘結劑（或漿料）噴射成型技術都有望實現(xiàn)干法電極的制造。

光固化成型SLA\DLP

原理是通過紫外光或是光面照射固態(tài)電池的聚合物電解質或是有機無機混合電解質，使其逐層固化，疊加成型。但因為目前材料開發(fā)未完成，需要添加一些不具功能性的光聚合材料，會降低電池性能，所以應用范圍有限。

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3D打印固態(tài)電池

3D打印在固態(tài)電池的應用中是一項很有前景的技術。由于該技術可以使用不同種類的打印材料，這使得研究人員可以改變電池中的電極、電解質、隔膜和堆疊的三維結構。

正極設計

利用3D打印技術可設計鋰電池正極材料，實現(xiàn)二維電極向三維電極可控轉變，可提高電極表面活性，縮短離子傳輸距離，實現(xiàn)高載量正極制備。此外，對正極材料厚度的可控性可實現(xiàn)對材料活性物質質量的可調，最終實現(xiàn)高能量密度以及高功率密度的鋰電池目標。

3D打印電池正負極

結構化負極

在鋰電池負極的應用上，通過3D打印構筑結構化鋰金屬負極，可增大電極的比表面積，將總電場均勻地分布在整個多孔電極中，達到降低有效電流密度、均勻沉積和抑制電極體積膨脹的目的，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性與安全性。另外，利用3D打印技術可實現(xiàn)打印材料形貌可控和模板的設計，利用電化學沉積或者熔融法可有效地控制金屬鋰的沉積 / 溶解行為，抑制鋰枝晶生長從而達到鋰金屬電池長壽命循環(huán)的目標，解決電池短路問題。

隔膜/固態(tài)電解質設計

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，電池的電解質也可以直接打印，從而減少了制造程序、時間和成本。但由于空氣穩(wěn)定性的限制，硫化物和鹵化物電解質可能不太適合被打印。因此，聚合物和氧化物電解質是有希望在全固態(tài)電池中進行3D打印的一類固態(tài)電解質。
3D打印隔膜可實現(xiàn)隔膜結構合理化設計和均勻的離子通量，減少鋰枝晶的形成。為了使固態(tài)鋰電池也獲得高的離子電導率，通常需要將固體電解質摻入正極的活性材料中，這種固-固結合的界面必須是無縫且具有足夠的靈活性，以滿足充放電過程中所造成的幾何變化。3D打印可精細優(yōu)化界面結構，滿足固態(tài)鋰金屬電池中嚴苛的固-固界面要求。

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企業(yè)進展

Sakuú

Sakuú是一家位于硅谷的創(chuàng)新電池公司，該公司正致力于將3D打印固態(tài)電池推向市場。Sakuu在2023年2月16日宣布，自2022年12月以來，Sakuú已經(jīng)成功地在其硅谷電池試驗工廠以完全干燥的工藝連續(xù)制造出定制形狀和尺寸的3D打印全功能電池。

Sakuú發(fā)明了一種完全工業(yè)化的電池印刷工藝，使用專利的多材料、多層方法，采用并行和干燥工藝，而不是慢得多的層對層印刷或絲網(wǎng)印刷。Sakuú的發(fā)明可以提供低成本、高速的制造能力，以及形狀和形式的靈活性，同時還可以提供對客戶最重要的核心類別的電池。

Blackstone

專注于電池技術的瑞士投資公司Blackstone Resources于2019年成立了自己的德國研發(fā)子公司黑石科技（Blackstone Technology）。

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；2021年11月，黑石公司在薩克森州Döbeln的工廠開始批量生產(chǎn)3D打印鋰基液體電解質電池。同時，還將使用3D打印生產(chǎn)下一代電池：固態(tài)鈉電池；2022年3月，該公司宣布，預計最早于2025年將3D打印的鈉離子電池商業(yè)化。除了軟包電池外，還將生產(chǎn)棱柱形電池。

Photocentric

2020年9月15日， 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。Photocentric自2020年以來已獲得數(shù)百萬政府投資，用于開發(fā)新型工業(yè)3D打印機，以制造用于電動汽車的固態(tài)電池。Photocentric的技術仍處于研發(fā)階段，與 Sakuú或Blackstone的不同，它基于使用光聚合物的樹脂3D打印。

到目前為止，Photocentric已將聚合物電解質粘合劑以及陽極和陰極粉末開發(fā)成可印刷的光聚合物樹脂。其正在申請專利的方法有望為英國市場低成本大規(guī)模生產(chǎn)輕型電池。

高能數(shù)造

高能數(shù)造（西安）技術有限公司成立于2021年，是國內一家聚焦并推出新能源電池數(shù)字制造平臺的產(chǎn)業(yè)化公司。公司自主開發(fā)了漿料擠出層疊SEL增材制造技術，這項技術實現(xiàn)了低成本、高效率制造復雜形狀的電池，并擁有獨特設計的3D結構。并同時推出了可根據(jù)用戶需求定制的電池專用3D打印機。公司自主研發(fā)了全固態(tài)電池一體化制造裝備和全固態(tài)電池中試化生產(chǎn)平臺。

結語

相比傳統(tǒng)制備方法，3D打印技術具有制造復雜形狀的電池結構的特性，可精確控制電池中固態(tài)電解質厚度和形狀，能夠大幅減少制造工序，成為固態(tài)電池制造領域的一個新方向。目前，固態(tài)電池仍然存在一些制造和商業(yè)化方面的挑戰(zhàn)，3D打印技術仍處于發(fā)展階段，成本、穩(wěn)定性、可靠性和生產(chǎn)規(guī)模等問題需要進一步地研究和改進。

文章來源：粉體網(wǎng)