用3D打印完成電動(dòng)汽車(chē)鋰電池，是天方夜談嗎？

來(lái)源：TCT亞洲視角


據(jù)Jennifer A. Lewis回憶，最初將3D打印用在新能源車(chē)載鋰電池上大顯身手的靈感，是一次與Shen J. Dillon的討論中產(chǎn)生的，兩人一致認(rèn)為，這個(gè)想法在理論上是行得通的，于是共同開(kāi)始針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行研究工作。

Photocentric的LC Maximus機(jī)器

2013年，Lewis進(jìn)入哈佛大學(xué)并發(fā)表論文《3D打印交叉式鋰離子微電池架構(gòu)》，該論文受到了幾家電池公司的關(guān)注。Lewis和她的團(tuán)隊(duì)研究展示了一種3D打印技術(shù)，以絲狀形式對(duì)功能墨水進(jìn)行圖案化，尺寸可以小至1微米。

油墨的成分和流變性也進(jìn)行了優(yōu)化，以確保它們能夠流經(jīng)沉積噴嘴，電池電極的打印厚度約為30微米，同時(shí)，材料還需要具有結(jié)構(gòu)完整，能承受干燥和燒結(jié)，而不會(huì)分層或變形。在配制了這些材料之后，他們開(kāi)辟出了3D打印的新天地。

Lewis表示：“一個(gè)由3D打印完成的電池，從一開(kāi)始就不是我們想要的最終結(jié)果。重要的是，我們發(fā)現(xiàn)這種電池性能類(lèi)似于散裝電池，微尺度打印的能力絲毫沒(méi)有降低性能，使創(chuàng)造小電池成為可能。我們正在嘗試打印一種功能電池，它只有一粒沙子的大小，卻可多次充電�！�

幾年后，針對(duì)3D打印鋰電池的討論蔓延到了英國(guó)，Photocentric公司總經(jīng)理Paul Holt與化學(xué)研發(fā)部負(fù)責(zé)人Sarah Karmel博士也在討論電池內(nèi)的能量密度，思考3D打印在此類(lèi)應(yīng)用中的功效，并與行業(yè)合作伙伴取得聯(lián)系。2020年9月，公司成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究3D打印電池的部門(mén)，啟動(dòng)多個(gè)項(xiàng)目來(lái)探索電極的架構(gòu)、結(jié)構(gòu)和制造。

△化學(xué)研發(fā)部負(fù)責(zé)人Sarah Karmel博士

Karmel博士表示：“厚電極的概念已經(jīng)存在一段時(shí)間了，它們是獲得高能量密度電池的最簡(jiǎn)單方法。問(wèn)題是厚的電極阻礙了鋰離子的流動(dòng)。但我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)孔隙率和鋰離子流動(dòng)通道來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，3D打印就是最好的解決方法�！�

與此同時(shí)，遠(yuǎn)在美國(guó)的Lewis的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了打印電池的正負(fù)極的能力，打印了所有的電池組件，這是他們創(chuàng)造應(yīng)用方向的動(dòng)機(jī)。

△鋰離子電動(dòng)汽車(chē)電池

Lewis 解釋道：“有了這種能力就能超越微型電池。當(dāng)我們第一次用3D打印做這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是，你可以制造出紐扣電池、淤泥圓筒、薄膜微電池，但是你沒(méi)有其他選擇。電池制造商通過(guò)用3D打印技術(shù)來(lái)制造特定形狀的電池,比如你有一個(gè)助聽(tīng)器，想要在助聽(tīng)器里用不到的空間都裝上電池，你可以打印一個(gè)不同形狀的三維電池，這樣不僅提高體積效率，而且為電池開(kāi)辟設(shè)計(jì)空間�！�

這也是Photocentric進(jìn)軍電池領(lǐng)域的關(guān)鍵動(dòng)機(jī)。該公司主要利用LCD屏幕3D打印技術(shù)推動(dòng)研究工作。雖然大部分技術(shù)是由IP保護(hù)的，但Karmel博士簡(jiǎn)單介紹了公司的LC Maximus機(jī)器，該設(shè)備由920 x 510 x 800毫米的構(gòu)建體積和43英寸液晶屏幕構(gòu)成。

同時(shí)還有一臺(tái)帶有90英寸LCD屏幕的原型機(jī)，另一個(gè)名為L(zhǎng)C Nano的原型系統(tǒng)精度可降至20微米。Photocentric將這些機(jī)器與“特定類(lèi)型的光聚合物基質(zhì)” 結(jié)合起來(lái)，據(jù)說(shuō)這種基質(zhì)具有非常高的活性電極材料負(fù)載量。


該公司目前正在參與三個(gè)項(xiàng)目，第一個(gè)項(xiàng)目集中于固體電池單一致密電極的設(shè)計(jì);第二個(gè)是電極的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu);第三個(gè)是探索電極制造的方法。Photocentric的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)可商業(yè)化、大規(guī)模使用的電池。他們認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)迫切需要3D打印電池為其帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

Karmel 說(shuō)：“電動(dòng)汽車(chē)的重量平均是2到3噸，如果能制造更輕的電池，這將是一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)變。更快的充電能力和更高的能量密度，可以使電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航更久。不僅僅是電動(dòng)汽車(chē)，如果一臺(tái)無(wú)人機(jī)裝上更輕的電池，就能飛的更久。對(duì)于這些輕量化應(yīng)用，電池的形狀會(huì)有很大的不同。”

在全球氣候危機(jī)和政府推動(dòng)減少碳排放的行動(dòng)中，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速。到2030年，歐盟的目標(biāo)是至少有3000萬(wàn)輛零碳排放汽車(chē)，而英國(guó)在去年10月宣布，計(jì)劃在逐步停止汽油和柴油汽車(chē)的銷(xiāo)售。Photocentric公司相信其光聚合物 3D 打印技術(shù)夠滿足這類(lèi)市場(chǎng)所需的電池設(shè)計(jì)原則。與此同時(shí)，Lewis看到了另一個(gè)轉(zhuǎn)機(jī)-混合功能。

Lewis認(rèn)為，在3D打印電池方面，目前還落后于學(xué)術(shù)界至少10年，而且發(fā)展緩慢。但類(lèi)似Photocentric、Addionics、Blackstone以及Sakuu這樣的公司的出現(xiàn)，讓Lewis對(duì)商業(yè)3D打印電池的發(fā)展空間信心十足。

Lewis最后總結(jié)道：“3D打印技術(shù)在電池的形狀或外形方面開(kāi)辟了設(shè)計(jì)空間，提供了更多的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，如果考慮將它們不僅用于能源存儲(chǔ)，并且用于結(jié)構(gòu)元素，允許將多種材料共同打印在一起，會(huì)進(jìn)一步打開(kāi)設(shè)計(jì)的空間，鋰電池的體積內(nèi)會(huì)儲(chǔ)存更多的能量。我的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)目前的研究來(lái)看，我們只是觸及了皮毛，未來(lái)的發(fā)展空間相信大家都很期待！”