能量翻倍，价格减半，洞悉黑石3D打印电池背后的技术逻辑
根据3D科学谷的市场观察，过去几个月 3D 打印电池的进步表明，未来可能会出现更便宜、能量密度更高的电池，这些电池可以根据应用和形状进行定制。
那么3D打印电池仅仅是实验室的前沿研究，还是仅仅能够满足少数高端的商业应用？本期，3D科学谷与谷友一起来洞悉黑石3D打印电池背后的技术逻辑，从而理解3D打印电池的商业发展趋势。
外形更灵活，内部更复杂
3D 打印电池的想法并不是全新的，实际上第一个想法是由哈佛大学的 Jennifer A. Lewis 领导的团队于 2013 年提出的。他们创造了一个定制的打印机和特殊的阳极和阴极墨水来生产锂离子电池电池，但它只有一粒沙子那么大。
向前跳过 7 年，两家公司——瑞士的 Blackstone Resources （详见《黑石着眼于为特斯拉开发3D打印固态电池》）和美国的 KeraCel，都在制造全 3D 打印电池所需的技术和工艺方面取得了重大飞跃。
KeraCel 因其“采用密封阳极结构的创新单片固态电池”获得了一项关键专利，Blackstone 其专有的3D打印-增材制造技术（用于打印锂离子固态电池）取得了一系列重要的里程碑。
l 3D打印电池的三大优势
自从 1990 年代锂离子化学问世以来，电池显然取得了巨大的进步，但每个人都希望可以解决三件事。
首先，毫不奇怪，是价格。另一个重要的问题是能量密度——如何让电池容纳更多电量，从而使它们更轻和/或更小。第三件，不像前两件事那么重要，但仍然很重要，是让电子设备的设计者在电池的尺寸和形状上有更多的选择。
▲特斯拉电池拆解显示数百节 AA 电池
对于电动汽车和电动船，使用的电池模块基本上都是一堆小型家用电池固定在一起以增加容量。例如，特斯拉 85kWh 电池组由 7,104 个电池组成，大小与 AA 差不多。
这种构造方法严重限制了电池组放置位置的选择，这对于电动船来说可能比对 EV 更重要。一家名为 XINGmobile 的公司生产可以制成各种形状的模块化背包，有点像乐高®，但配置仍然有限。
使用 3D 打印电池，模块被设计为一个整体，然后打印以匹配。
l 多孔电极提高能量密度
3D 打印电池不仅在“大局”上的不同之处，在最小的微米和纳米级别上也有所不同。
在纳米级别，3D打印-增材制造技术对电池电极的结构产生了很大的影响，这就是能量密度增加的原因。长期以来，“多孔”电极可以提高能量密度，而增材制造非常适合该工艺，这意味着电极中的材料可以构建成三维点阵晶格结构。
点阵晶格意味着电极有更多的暴露表面积，在那里发生使电池工作的化学反应，从而带来更高效的电池。
可以使 3D 打印电池能量密度更高的另一件事是，电池模块不需要额外的物质来粘合它们，可以想象，将 7,104 块电池连接在一起的胶水和电线可以增加相当大的重量，而这些元素是增材制造过程的一部分，而不是额外的材料。
与Prologium 电池的原理相同。以不同的方式减少连接材料的数量，当电池单元的能量密度相同时，ProLogium Technology 的电池组的能量密度可以提高 29% 到 56.5%”
l 能量翻倍，价格减半
最后，还有价格因素。在任何行业中，增材制造的主要吸引力之一是成本效益。就电池而言，无需单独制造电池，可节省大量成本然后将它们组装成模块。
与使用液体电解质的传统电池设计相比，根据3D科学谷的了解，黑石技术的3D打印工艺具有明显的优势。这些措施包括显着降低成本，提高电池尺寸的生产灵活性以及使能量密度提高20％。
此外，通过使用3D打印技术，可以将不存储能量的材料（即铜和铝）的数量减少多达10％。可以独立于电极化学性质实现这些优点。
根据黑石技术，结合迄今为止在3D打印电池技术方面的发展，这一发展为固态电池的大规模生产铺平了道路。除了汽车工业等主要市场之外，船舶应用和新型5G无线网络还将受益于3D打印固态电池可以提供的优势。
虽然 Blackstone 和 KeraCel 在电池的自动化 3D 打印/增材制造方面处于领先地位，但几乎可以肯定会有更多公司加入他们的行列。
国际研究领域，根据3D科学谷的了解，卡内基梅隆大学机械工程副教授 Rahul Panat 和卡内基梅隆大学的一组研究人员与密苏里科技大学机械与航空航天工程助理教授 Jonghyun Park 合作开发了一种革命性的 3D 打印电池电极新方法创建具有受控孔隙率的 3D 微晶格结构。研究人员在发表在 Additive ManufacturingOpens in new window 杂志上的一篇论文中表明，通过 3D 打印这种微晶格结构，极大地提高了锂离子电池的容量和充放电率。
3D 打印可用于制造锂离子电池的多孔电极——但由于制造过程的性质，这些 3D 打印电极的设计仅限于几种可能的架构。到目前为止，通过增材制造生产出最好的多孔电极的内部几何形状是所谓的交叉几何形状——金属叉头像两只紧握的手的手指一样互锁，锂在两侧穿梭。
如果在微观尺度上，锂离子电池的电极具有孔隙和通道，则其容量可以大大提高。叉指几何虽然确实允许锂在充电和放电期间有效地通过电池传输，但并不是最佳的。
▲ 3D打印电池的复杂结构
© 来源：Additive Manufacturing 23 (2018) 70-78
晶格结构可以为材料内部的电解质有效传输提供通道，就锂离子电池而言，具有多孔结构的电极可以带来更高的充电容量，这种结构允许锂穿透电极体积，导致非常高的电极利用率，从而具有更高的能量存储容量。在普通电池中，总电极体积的 30-50% 未被利用。通过使用 3D 打印克服了这个问题，通过创建微晶格电极结构，允许锂通过整个电极有效传输，这也提高了电池充电率。
3D打印使得电池架构可以实现复杂几何形状，这是朝着电化学能量存储的几何优化配置迈出的重要一步。研究人员估计，这项技术将在大约两到三年内准备好转化为工业应用。
与实心块 (Ag) 电极相比，用作锂离子电池电极的微晶格结构 (Ag) 可以通过多种方式提高电池性能，例如比容量增加四倍，面积容量增加两倍。此外，电极在四十次电化学循环后仍保持其复杂的 3D 晶格结构，证明其机械坚固性。因此，对于相同的重量，电池可以具有高容量，或者对于相同的容量，可以大大减轻重量。
▲ 放大电池构成区域：研究人员研究中用于电化学循环的锂离子电池 3D 打印电极的 SEM 图像。从高度约 250 毫米的微晶格电极顶部拍摄的图像。
© 来源：增材制造 23 (2018) 70-78
卡内基梅隆大学的研究人员通过模拟和建模开发了 3D 电池设计和分析、电池制造技术和电化学分析。研究人员开发了他们自己的 3D 打印方法来创建多孔微晶格结构，同时利用气溶胶喷射 3D 打印系统的现有功能，Aerosol Jet 系统还允许研究人员在微尺度上打印平面传感器和其他电子设备，该系统已于今年早些时候部署在卡内基梅隆大学工程学院。研究人员能够通过快速将单个液滴组装成 3D 结构来 3D 打印电池电极。由此产生的结构具有使用典型挤出式方式无法制造的复杂几何形状。
这种革命性的方法对于消费电子产品、医疗设备行业以及航空航天应用都非常重要。根据3D科学谷的了解，这项研究将与需要小型化电池的生物医学电子设备很好地结合起来。非生物电子微器件也将从这项工作中受益。在更大范围内，电子设备、小型无人机和航空航天应用本身也可以使用这种技术，因为使用这种方法打印的电池重量轻、容量大。
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