3D打印新能源汽车电池市场潜力达千亿元,能量密度可提升一倍

3D打印资讯
2022
05/23
22:31
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南极熊导读:用3D打印技术来生产锂离子、钠离子的新能源汽车电池,具有将能量密度提高一倍,制造成本降低一半的潜力,普通桥车的续航可达1500公里。这是一个千亿元级别产值的应用市场。希望引起中国的重视。
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△汽车电池3D打印生产车间
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△3D打印固态电池

在全球能源转型的大背景下,3D打印电池所展现出的高能量密度、可持续、轻量化等优势是电动汽车市场迫切需要的。所以开发可商业化、大规模使用的3D打印电池将成为电动汽车行业未来的新方向。南极熊本期文章概述了当下全球3D打印电池在汽车行业的发展现状,相信这将给我们增材制造以及汽车领域的发展带来一些新的启示。

3D打印固态电池专家Sakuu联手日本Musashi,推动电动汽车发展

Sakuu Corporation是一家总部位于美国加利福尼亚州的工业解决方案提供商,前身为KeraCel 公司,成立于2016年。Sakuu的3D打印平台是一个用于灵活、经济高效地大量生产复杂功能设备的多材料、多方法3D打印解决方案。这使能源行业内的制造商能够改善成本、性能和当前固态电池选件的范围。

2019年5月份,Sakuu(也称Keracel)公司宣称在生产陶瓷固态锂电电池方面取得了最新突破。同年8月,日本汽车零部件制造商Musashi Seimitsu Industry宣布与Sakuu建立了战略合作伙伴关系,目标是加速3D打印固态电池的发展。他们的计划是首先将该技术应用于摩托车行业,然后再去适应更广泛的汽车行业。

2021年6月17日,Sakuu Corporation宣布了三项专利:具有密封阳极结构的混合固态电池、能够创建有源设备(如微反应器或固态电池)的增材制造系统,以及电子照相多材料3D打印机。

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△Sakuu AM平台内部。照片来自Sakuu。

2021年7月28日,Sakuu Corporation宣布已开发出一种3Ah锂固态电池 (SSB),性能等同于或优于当前的锂电池。Sakuú一直在开发第一代SSB电池技术及旗舰增材制造平台,据称平台使用多材料粘合剂喷射工艺,并于2021年年底投入商业使用。第一代电池包括30个子电池,使用锂金属和陶瓷隔板。另外,电池设计使用当前行业标准阴极材料(未来或许会使用支持更高电压的阴极材料),可产生高达25%的能量。

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△Sakuu的第一代固态电池。图片由Sakuu提供。

2021年8月22日, Sakuu公司开始着手于建设一个新的试验设施,用于生产3D打印固态电池。据报道,这条试验产线于2021年底完成,投产后每年将能生产高达2.5兆瓦时的固态电池。在未来几年,它还将作为该公司的多材料3D打印系统"Sakuu AM平台"的客户学习中心。工程公司Relevant Industrial和霍尼韦尔将通过提供工程、工艺设计和系统集成支持来帮助建立该设施。

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△Sakuu即将推出的试验生产线的效果图。图片来源于Sakuu公司

Sakuu公司一直致力于3D打印固态电池的开发和推广。固态电池与目前主流的传统锂电池最大的不同在于电解质。传统锂电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量,电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。而固态电池使用固体电解质,替代了传统锂电池的电解液和隔膜。与锂电池相比,固态电池更加安全、更高的理论能量密度和更高的体积能量密度。但是,固态电池也有一定的局限性,比如固态电解质导电率低,不能快速充能;材料物理接触会随时间变差,影响使用寿命;制备工艺复杂。

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△电池结构示意图
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△电池性能对比

Sakuu的增材制造技术融合了粉末床和喷射材料沉积技术,并使用多种材料来制造零件。它结合了陶瓷和金属以及Sakuu的PoraLyte支撑材料,消除了部件悬垂的限制,并能够创建带有内部通道和腔体的设备。Sakuu说,这项技术较现有产品有着很大的飞跃,能够制造薄单片层和完美介面,从而生产高能量密度固态电池(SSB)。此外,得益于粉末到粉末工艺,据说陶瓷和金属材料的可回收性比传统方法更容易,不需要提取石墨,也不需要聚合物,这意味着减少了垃圾填埋或焚烧。
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△Sakuu电池3D打印使用了多重3D打印技术

photocentric成立3D打印电池研究部门,为汽车定制燃料电池

2020年9月15日, 3D打印机和材料制造商photocentric宣布成立3D打印电池研究部门,致力于开发环保的3D打印电池,并表示会持续加大投资力度,优化3D打印燃料电池在汽车中的应用。在开展3D打印汽车电池研究之前,该公司的主要产品是感光树脂材料,并拥有专利可见光聚合(VLP)3D打印技术。据该公司研发化学主管Sarah Karmel博士介绍,通过利用其专利3D打印技术,他们可以开发出具有更强储能能力的定制汽车电池。
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△Photocentric的目标是开发3D打印电池,用于特斯拉的Giga工厂内,图片来自Photocentric

Photocentric公司一直认为开发改进的储能设备,是世界上最重要的环境问题之一。目前市面上的传统电池单元体积大、重量重,而且没有针对汽车用途进行优化,这意味着汽车设计往往由可用性而非适用性决定。为实现汽车电池的低成本、大规模制造,Photocentric已经制定了增材制造燃料电池的开发计划,试图将3D打印技术整合到电池生产过程中。

2021年5月18日,photocentric公司宣称通过光聚合实现对电池电极结构的精确控制,已经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。该公司3D打印电池的过程与用光聚合工艺相似,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。该公司的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。
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△新能源汽车电池组。照片来源Photocentric
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△3D打印电池电极的微观孔隙

黑石公司开发3D打印固态电池

2020年9月23日,来自瑞士的黑石资源公司(Blackstone Resources AG)宣布在3D打印锂离子固态电池方面取得了一系列具有里程碑意义的成绩。同年11月,黑石在德国德贝恩镇萨克森州的Am Fuchsloch工业园区开设了第一家3D打印电池生产工厂,配套德国的汽车制造业,将大量生产用于工业应用以及电动汽车的下一代电池。更重要的是,该工厂的运作也代表了3D打印电池工业化生产的“第一炮”。
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据悉,黑石首期工厂的生产能力将达到每年0.5 GWh,到2025年,电池片的年产能达到3 GWh。这相当于为7.5万辆叉车供电,如果达到这一目标,产量将逐步提高到每年10 GWh。该公司坚信,它可以大量、低成本地生产出具有更高能量密度水平的可靠锂离子电池,其目标是使成本大大低于每千瓦时80欧元,这将代表存储技术的最终突破。

在2021年4月,黑石德国子公司Blackstone Technology GmbH对外宣称已成功打印并测试了首款可工作的固态电池,并展示了由Blackstone固态电池供电的LED灯。
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△5x5平方厘米的袋式电池,带有发光二极管

在2021年6月21日,Blackstone Resources AG(SWX:BLS)宣布将子公司Blackstone Technology GmbH的电池业务扩展到美国市场,通过上市方式筹集额外资金。目前,黑石资源股份公司在瑞士证券交易所(Symbol BLS)上市,并已向黑石科技投入巨资。

黑石的3D打印电池计划曾获得欧洲“地平线2020”计划资助,在电池密度,充电周期和成本方面均取得了显著成绩。与使用液体电解质的传统电池设计相比,Blackstone Technology的3D打印工艺具有明显的优势。综合来讲,Blackstone的3D打印固态电池技术,具备以下优点:
1)        3D打印锂离子电池生产已经成熟,且有专利,在生产过程中可提供最大的灵活性;
2)        可节省30%的CAPEX和10%的OPEX,而采用固态技术时,可节省70%的CAPEX和30%的OPEX;
3)        世界上第一个3D打印生产工艺,可以批量生产固态电池;
4)        可将能量密度提高20%,使用固态技术时可提高100%;
5)        利用自身资源来缩短供应链,并确保长期获取电池材料;
6)        通过将干燥过程减少50%,可将能源消耗降低25%,这是电池组电池最重要的制造成本——占总能源成本的45%至57%。
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△3D打印固态电池生产工作流程

毫无疑问,作为3D打印电池行业的引路人,黑石的3D打印电池技术将为固态电池的生产奠定重要基础。
2021年12月7日,黑石公司在线上发布会上宣布首个大规模3D打印锂电池工厂将开工生产。据悉,Blackstone Technology已将初始目标年产能设定为500 MWh,预计将在2022年底前完成目标。尽管尚未确定时间表,但增长计划的第二阶段目标是每年5GWh,第三阶段最终目标是超过10GWh。

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△位于德国Döbeln的新制造工厂。图片来自Blackstone Technology。
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△Blackstone Technology的3D打印锂电池。图片来自Blackstone Technology。

2022年3月,南极熊获悉,Blackstone Resources宣布,预计最早于2025年将3D打印的钠离子电池商业化。
Blackstone此前一直主要专注于3D打印锂离子电池,现在他们已转向钠离子技术,这具有几个优势:
●原材料易获得
●制造过程环保
●制造过程更经济
●与传统制造的电池相比,能量密度更高
●电池的安全性更高

Blackstone Technology的CEO说:“钠离子技术代表了我们已经处于下一代 3D 打印电池市场的领先地位,我们很高兴再次为清洁能源和未来的碳中和交通做出创新和贡献。

国产3D打印电池技术企业交大高能获百万级人民币种子轮融资

2021年5月11日,动力电池数字化3D打印解决方案提供商长春交大高能科技有限公司(以下简称:交大高能科技)宣布,获得百万级人民币的种子轮融资,投后估值1000万人民币,由交大增智投资并孵化。
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长春交大高能科技有限公司注册在中韩国际合作示范区,拥有电极创新设计和复合材料微纳打印等核心技术,专注于动力电池数字化3D打印技术的研发与产业化,面向全球电池制造企业提供数字智造整体解决方案,是全球3D打印电池技术的创导者。作为全球首批进行3D打印电池技术的产业化企业,交大高能创始团队拥有自主研发的Top-e电极创新设计系统、3D打印电池技术和基于3D打印技术的数字智造解决方案,面向全球电池制造企业提供数字化3D打印整体解决方案,通过3D打印这一个步骤来革新现在繁长的动力电池正负极制造环节。
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交大高能的3D打印电池技术对动力电池的安全性能有显著提高,具有将能量密度提高80%、制造成本降低50%的潜力,有非常巨大的技术优势和商业价值。交大高能创始人王世明说:“作为全球3D打印电池技术的创导企业和动力电池制造过程的变革者,交大高能未来三年的估值有望达到100亿以上。交大高能的愿景是通过数字智造赋能碳中和事业。”

6K公司和Albemarle合作开发可持续锂电池材料

2022年1月14日,专业3D打印材料开发商6K公司与全球化学品公司Albemarle Corporation签署了一项联合开发协议,主要用于生产新型锂离子电池材料。这项合作将由6K的UniMelt专利技术来实现,这是一个用于生产工业级粉末的可持续材料生产平台。

6K公司的UniMelt系统基于专利微波等离子体工艺运行,该工艺旨在将铣削、车削和其他回收的废料转化为可用的3D打印材料。早在2021年4月,该公司已经将其UniMelt技术重新用于开发锂离子电池材料,当时它为其能源部门6K Energy建立了一个新的先进中心。6K指出,如果用一个同等的UniMelt生产设施取代传统的16GWh电池阴极生产厂,可以减少70%的二氧化碳排放。水的消耗量也可以减少90%,废水的产生也将完全消除,同时所需的工厂空间将减少50%。

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△一家3D打印材料生产厂的UniMelt系统。照片来自6K
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△位于马萨诸塞州北安多弗的6K先进电池中心。照片来自6K公司。

总结

总的来看,南极熊认为我国3D打印电池的发展仍处于相对薄弱的水平,而如欧洲黑石、美国Sakuu等3D打印电池制造企业已经走上了工业化生产的道路,并且向着更大规模发展。这给了我们国内电池制造厂商一些启示:3D打印电池的技术攻关迫在眉睫,相关产出成果需要及时转化,尽快步入商业化生产道路,迎接电池行业即将到来的挑战,以确保电芯供应链和占领更多全球电池市场。

参考阅读:





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2022-5-25 08:17:47 | 显示全部楼层
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