2023年7月15日，第一届电池3D打印大会在深圳大学成功举行。这场由南极熊3D打印网、深圳大学增材制造研究所联合发起的研讨会，引起大量专业人士的关注，现场汇聚来自全国各地的100多位3D打印、大学、新能源、投资等领域的嘉宾，进行了一场轻松而又充满干货的交流。
在本次研讨会上，深圳大学增材制造研究所刘长勇副教授作了专题报告，介绍了“3D打印锂离子电池发展现状及未来趋势”，本文来回顾一下刘长勇副教授报告的主要内容。
△深圳大学副教授 刘长勇
根据相关数据的预测，2022年至2030年锂离子电池的总容量将从700 GWh增长至4700 GWh，市场规模将从850亿美元增长至4000亿美元，具有良好的未来前景。锂电池目前已经被广泛用于消费电子、新能源汽车、工业储能等领域。
现有锂离子电池技术
从技术的角度来讲，锂电池的关键技术包含三个方面：材料体系、电池结构、制造工艺。
目前，常用的锂电池材料体系正极主要就是钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂，还有镍钴锰、镍钴铝的三元材料，负极主要是石墨，现在高容量的硅碳也开始商业化，还有安全性比较好的钛酸锂，这些是当前商业化应用比较多的材料。不同的电池厂商对材料体系的理解是不一样的，比亚迪走的是磷酸铁锂材料体系，宁德时代走的是三元材料体系，它们在市场上都有存在的空间。
电池里面牵扯很多的材料，要有一个合适的化学体系，然后做成一个理想的电池的结构，把它设计合理了，电池才有比较好的性能。
电池结构方面，一般是在铝箔的正反面涂上正极材料，铜箔的正反面都涂上负极材料，最后与隔膜一起一层一层叠起来制作成电池。铜箔、铝箔起的作用就是把活性材料产生的电流给收集起来，起到集流体的作用。目前，涂的活性材料厚度小于100微米，如果涂的太厚会影响充放电的速度。因此，制作一个电池需要用到大量的铜箔和铝箔，严重影响电池的能量密度：
- 电极厚度小于100 μm
- 使用大量集流体（铝箔和铜箔）
- 使用大量隔膜（聚乙烯）
为了提高电池的能量密度，目前大家共同的技术路线是用更薄的集流体，减少其所占的体积和质量，现在集流体做到6微米，隔膜也更薄做到10微米，然后再把电芯做大，就意味着电池的外壳封装的体积在整个电池中的占比减小了：
- 更薄的集流体（薄至6 μm）
- 更薄的隔膜（薄至10 μm）
- 更大的单体电芯尺寸
- 特斯拉4680电池：直径46mm高度80mm
- 比亚迪刀片电池：905mm*118mm*13.5mm
电池中有集流体把电流收集起来，有正极、有隔膜、有负极、有电解质，这些材料实际上性能差异很大。不同的材料体系，带来的能量密度、安全性等都不一样。
锂金属全固态电池等新技术，虽然现在还没有商用，但是这些都是未来的重要方向。
3D打印如何赋能电池制造？
3D打印可以这样赋能电池制造：
- 3D打印赋能电极结构/电池构型创新
- 3D打印促进电池原型快速研发
- 3D打印个性化/异形电池快速制造
- 面向智能穿戴的3D打印柔性电池制造
- 3D打印赋能结构/电池/电路曲面共形设计
那么，锂电池究竟和3D打印之间如何产生结合点？那边，先来看看常用的3D打印技术包括：浆料直写、喷墨打印、光聚合打印、熔融挤出、粘结剂喷射、激光选区烧结、气溶胶3D打印等。
两者之间的结合，可以追溯到2013年，当时哈佛大学发表了一篇论文，科研人员使用浆料直写3D打印技术，制作了一个电池的原型，此后全球众多科研机构和企业开始了3D打印锂电池方面的研究。
可以用3D打印技术来做电极的结构创新，或者叫电池的构型创新。以往的时候电极很薄，要用大量的铝箔铜箔集流体。如果让电量有效载荷比例变大，那么就可以提高能量密度。但是它做厚了之后，实际上锂离子扩展很慢，半天走不出来，来不及，所以可以把电极创新一下。比如说在里面修一个通道，然后电子离子可以很快从通道里面过去，或者说把叠在一起的构型，通过交叉，让电极离子横向扩散，就不需要跑那么远了，只需要在附近跑就行了。
在过去十年的研究中，人们尝试了各种不同的3D打印技术来制作电池。
其中，光固化3D打印技术用于锂电池制造，有四种方式：
1. 光固化制备凝胶态聚合物电解质；
2. 光固化打印光敏树脂+高温裂解获得碳晶格；
3. 光固化打印光敏树脂前驱体+高温煅烧获得三维电极；
4. 光固化打印含活性材料光敏树脂获得三维电极。
FDM 3D打印技术用于锂电池制造，一般是将石墨烯、磷酸铁锂、钴酸锂、钛酸锂等电池材料，混入PLA、TPU等高分子材料中，然后通过FDM 3D打印机来打印成型，获得电极结构，再想办法去除其中的高分子材料。
SLS激光烧结技术则曾被用于Ni-Co-Al三元材料的3D打印，使用1KW光纤激光器（1070nm）进行烧结。
粘结剂喷射技术，实际上有点像常规的电池材料体系，也是将活性材料、粘结剂、导电剂混合，然后通过粘接机喷射方式来打印成型。怎么能够用这个技术把多材料多功能的复杂部件能够给它做出来，这是一个很大的挑战。
目前，用的最广的还是浆料直写这种3D打印技术，常规的电池制造也是将电极材料做成浆料，然后进行涂布。而现在是通过3D打印的方式把它挤出来，从而控制其形状结构。浆料直写这种技术对于材料的适用性最广，科研领域大家基本上都在用这种方法，但这种方法也存在很多问题，比如打印精度和效率方面还不是特别高。
另外一种方式是金属3D打印，将铜、铝等直接打印成晶格结构，作为集流体，然后将活性材料灌进去，成为电极。铝合金、铜合金轻量化点阵结构作为负载活性物质的三维集流体。
最后一种叫气溶胶喷射的技术，国外有这方面的研究，曾经被用来打印磷酸铁锂、钛酸锂，还可以打印在曲面上面。
以上就是过去十年，科研人员在探索怎么能够用3D打印的方式来制作电池的一些思路和取得的成果。未来3D打印该如何赋能电池制造？刘长勇总结了五个方面：
●3D打印赋能电极结构/电池构型创新
●3D打印促进电池原型快速研发
●3D打印个性化/异形电池快速制造
●面向智能穿戴的3D打印柔性电池制造
●3D打印赋能结构/电池/电路曲面共形设计
△通过3D打印来制作厚电极，从而提高活性材料的占比，通过电池构型创新来提高能量密度
△将涂布的平面电极转换为3D打印的三维结构电极
△用于电池原型的3D打印验证
3D打印电池做原型验证，然后到批量化的时候还是传统工艺，批量化的时候它又存在制造问题。实际上我们现在3D打印电池，没办法反映任何传统工艺制造中存在的问题，开发一个新品种的电池，它存在的制造问题仍然要解决一遍，这点会阻碍厂商去用3D打印技术来制造电池。
△形状/结构/尺寸可定制化电池；为产品优化带来更多的可能性
△面向可穿戴应用的3D打印柔性电池制造
△3D打印赋能结构/电池/电路曲面共形设计
很多军工上的产品，尤其是飞机，它前面是一个雷达天线罩，要在一个曲面上要把结构件、电路、天线很多东西都要集成，如果可以做到这种结构电池电路，全面都是曲面共形这种设计的话，将是非常有潜力的一种技术，当然这个是很难解决的，我以前也想过这个问题，但是并没有很好的方案。
实际上，从2017年开始，深圳大学增材制造研究所就开始研究锂电池3D打印，并获得了国家自然科学基金的支持。刘长勇表示，实验室基于之前研发的低温3D生物打印技术，进一步研发了可用于锂电池3D打印的低温直写设备，可以打印各种各样的电极并发表了诸多相关论文。
3D打印锂离子电池发展现状及未来趋势-深圳大学-刘长勇-对外公布_20230717203837.pdf
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