綜述：下一代鋰離子電池的3D打印途徑，有望替代傳統(tǒng)漿料涂覆方法

2025年8月11日，南極熊獲悉，北方民族大學(xué)的研究人員在《ACS Omega》期刊上發(fā)表了一篇全面的綜述，詳細(xì)介紹了3D打印如何改變鋰離子電池（LIB）的設(shè)計。此外，論文還討論了3D打印方法在鋰離子電池制造中面臨的挑戰(zhàn)。

論文題為“3D-Printed Electrode/ElectrolyteArchitectures for High-Performance Lithium-Ion Batteries: Mechanisms,Materials, and Challenges/高性能鋰離子電池的3D打印電極/電解質(zhì)結(jié)構(gòu)：機(jī)理、材料和挑戰(zhàn)”，由樓曉飛、趙莉、高陽和南曉暉領(lǐng)導(dǎo)，探討了增材制造技術(shù)在高性能電極和電解質(zhì)方面的應(yīng)用，并突破了傳統(tǒng)漿料涂覆方法的局限性。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.5c02247?

作者闡述了增材制造如何實現(xiàn)精密設(shè)計的微結(jié)構(gòu)，使其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的涂覆技術(shù)。綜述重點介紹了四種主要的3D打印方法：熔融沉積成型(FDM)、直接墨水寫入 (DIW)、立體光刻 (SLA) 和粘合劑噴射 (BJ)。每種方法都為制造鋰離子電池組件提供了獨特的優(yōu)勢，能夠精確控制孔隙率和幾何形狀，從而實現(xiàn)更高的能量密度和更長的循環(huán)壽命。

△3DP-NC制備工藝示意圖。圖片來自ACS Omega

電池組件的精密工程

傳統(tǒng)的鋰離子電池電極依賴于漿料涂覆方法，這種方法限制了對幾何形狀和孔隙率的控制。相比之下，3D打印技術(shù)可以定制陽極和陰極，優(yōu)化鋰離子路徑，減少非活性材料的使用，并實現(xiàn)定制的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

△3D打印NG電極示意圖。圖片來自ACS Omega。

在負(fù)極方面，創(chuàng)新包括多孔碳支架、硅-石墨烯復(fù)合材料以及抑制枝晶生長的鋰金屬主體。例如，源自鋅MOF的氮摻雜碳骨架實現(xiàn)了均勻的鋰沉積，并實現(xiàn)了30 mAh·cm₂ (LCO) 和 LiFePO⁻² (LCO) 和 350 Wh·kg⁻¹(LFP)。

綜述還詳細(xì)介紹了3D打印的固體和準(zhǔn)固體電解質(zhì)。結(jié)合了紫外光固化凝膠和離子液體的可打印油墨已展現(xiàn)出良好的離子電導(dǎo)率和界面穩(wěn)定性，這使得3D打印成為未來固態(tài)電池系統(tǒng)的可行平臺。

△3D打印LCO電極制造及LCO墨水成分示意圖。圖片來自ACS Omega

增材制造與電化學(xué)的結(jié)合

隨著電動汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品對先進(jìn)鋰離子電池的需求不斷增長，3D打印正逐漸成為原型設(shè)計和能源設(shè)備生產(chǎn)的多功能工具。近期關(guān)于3D打印鈉離子電池、柔性電子產(chǎn)品和形狀保形電池的報告反映了數(shù)字化制造儲能系統(tǒng)日益增長的趨勢。

此外，研究團(tuán)隊越來越多地將 3D 打印與機(jī)器學(xué)習(xí)和新型油墨化學(xué)相結(jié)合，以實現(xiàn)配方和性能優(yōu)化的自動化，正如圣母大學(xué)團(tuán)隊最近的研究成果所示。

展望與局限性

雖然作者強(qiáng)調(diào)了3D打印對電池架構(gòu)前所未有的控制力，但材料限制仍是一大挑戰(zhàn)，尤其是需要導(dǎo)電、可打印的油墨，以避免傳統(tǒng)熱塑性塑料的性能損失。熱退火等后處理步驟進(jìn)一步增加了制造流程的復(fù)雜性。

可擴(kuò)展性也是一個挑戰(zhàn)，大多數(shù)方法都難以在分辨率和打印速度之間取得平衡。然而，多材料打印和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助墨水配方等新興策略提供了頗具前景的解決方案。固態(tài)電解質(zhì)既體現(xiàn)了潛力，也存在一些缺陷；雖然3D打印版本可以實現(xiàn)具有競爭力的離子電導(dǎo)率，但界面電阻等問題仍未得到解決。

作者認(rèn)為，短期內(nèi)，增材制造技術(shù)可能在柔性電子和超厚電極等特殊應(yīng)用領(lǐng)域找到最強(qiáng)勁的市場。隨著油墨化學(xué)和工藝集成的進(jìn)步，3D打印技術(shù)或?qū)�從根本上重塑下一代電池的設(shè)計和制造方式。

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