3D打印电池电极助力新能源汽车发展

导读：传统的电池电极是需要依赖模具工艺进行制造，在外观设计和复杂形状的开发上存在着很大局限性。采用3D打印电极开启了电池/电池组具备多变几何形状的新时代，以及更高的电池能量密度和性能。2021年5月18日，南极熊了解到，Photocentric公司通过光聚合实现对电池电极结构的精确控制，为新能源汽车和更多的产品打开了新型电池几何形状复杂化和电池组轻量化的大门。

△新能源汽车电池组。照片来源Photocentric

2020年11月，国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，要求深入实施发展新能源汽车国家战略，推动中国新能源汽车产业高质量可持续发展，加快建设汽车强国。可以说交通工具的未来将是新能源汽车（EVs）的天下，而新能源汽车的核心是电池。然而，以目前用于制造电池的方法，改善电池性能的选择是有限的。

有多有限？电池电极通常是通过将活性材料的浆液滑铸成片状、冲出袋状或币状电池，然后将这些电池排列在一个长方形或圆柱形的外壳内。用这种方法制造更强力的电池需要制造更厚的电极，以及通过将电极堆叠在一起制造更大的电池，但这种构型很容易导致有问题的部分开裂。因此，对更好性能的追求往往产生更重、更庞大的电池组，却不能为特定产品提供最佳效率或范围。

Photocentric公司的化学主管Sarah Karmel认为这样的电池设计没有灵活性，目前她们公司也正在寻求相应的解决方案。这是一家位于英国的立体光刻式3D打印机供应商，致力于探索为电动车和其他电池供电的产品（如无人机）提供3D打印电极的前景。他们认为以任何形状和配置制造的增材制造电极可以为电动汽车打开新大门，使其充电更快，重量更轻，进而转化为更好的续航能力，并帮助克服当前此类车辆发展的限制因素。

△Sarah Karmel，Photocentric的化学部门负责人

用于优化电池电极结构的3D打印


增材制造（AM）已经为其他行业和应用带来了几何形状自由。想想看，喷气燃料喷嘴现在只是一个零件，而不是20个零件，亦或是新能源汽车的结构部件，其重量是传统形状和焊接的一半。3D打印电池的能力也将带来几何形状上的自由，允许电池和电池组的设计适合产品，而不是强迫产品适应传统的电池组。这是一个重大的变化，可以为电动车设计带来新的自由，但这仅仅是个开始。

Karmel认为电动车电池的灵活性并不局限于电池或电池组的整体形状，而在电极本身，即共同构成电池单元的阳极和阴极中，还可以找到更多的设计机会。通过与模拟工程领域伙伴的合作，Photocentric正在扩展设计和3D打印以前不可能实现的优化电极结构。

△传统的电池电极结构（左）限制了阳极和阴极的可能配置。3D打印架构（右）允许创新设计，如增加能量密度的夹层电极

Karmel说：“电极以不同的方式一起工作，这些新的架构支持能量密度更高的电池，可以占据更小、几何上更灵活的空间。例如，阳极和阴极可以被制成夹层，以产生比堆叠配置的电池更多的能量密度和效率。”

3D打印工艺使改变电极的微观结构以获得更好的性能成为可能。微观的多孔结构为离子的游走提供了路径，从而增加了离子流和更大的体积能量密度。因此，同样的功率可以从更小、更轻的电池中实现，它可以被制成更多的配置，以精确地适应车辆或应用。更多的孔隙也为离子提供了更多的通道，这有助于提高电池电极的能量密度。

△3D打印电池电极的微观孔隙

用光聚合法制造电池

这些3D打印电池的过程与用光聚合工艺制造其他任何部件相似。电极是使用专有的光聚合树脂进行3D打印的，这种树脂可作为商业电极粉末和导电添加剂的粘合剂。然后对生坯打印部件进行清洗和固化，接着进行脱胶和烧结，以去除聚合物，只留下活性电极材料。Photocentric公司实际上已经开发了一个独立的3D打印电池系统，部件从打印到清洗和后处理都是自动进行的，避免了污染或损坏脆弱电极的风险。

△Photocentric 3D打印机

Photocentric公司这项可能对新能源汽车产生影响的3D打印电池项目也与它自身运营中追求可持续发展的理念相吻合。Photocentric公司的3D打印机依靠可见光而不是紫外光来固化光聚合物部件，这意味着机器的运行能耗更低。来自可再生资源的新型环保材料和回收工作也在进行中。

迄今为止，这家公司所在使用的电极材料包括氧化钴锂（LCO）和钛酸锂（LTO），Karmel表示公司平台不受限于材料，也可以支持其他既定的电池化学。Photocentric公司现在的目标是找到能够提供最佳化学成分和最有用的几何形状的行业合作伙伴，并在汽车上展示其3D打印电池。

在此，南极熊不禁要问到：我们可以在实验室里打印出有效的电池，但现在的问题是它在设备中的表现如何？如果使用成功，3D打印的电池电极可以为更轻的新能源汽车奠定基础，提供更好的续航能力，而不改变电池组的尺寸。或者为更小的电池组提供更方便的形状和配置，可以提供与今天的大型重电池阵列相同的续航能力。南极熊倒很是期待着这种3D打印电极结构的实用化，毕竟更好的电池性能可以提高新能源汽车的使用率，也会指向更环保的交通模式。