“一項(xiàng)有望改變儲(chǔ)能世界的新技術(shù) ——3D 打印電池
3D 打印電池的優(yōu)勢(shì)
比傳統(tǒng)鋰電池更高的能量密度
可以制成不同的形狀和尺寸
生產(chǎn)成本更低
減少浪費(fèi),提高可持續(xù)性
更安全 – 沒有液體電解質(zhì)變熱
更長(zhǎng)的使用壽命
什么是 3D 打印,它是如何工作的?
3D 打印也被稱為增材制造,3D 打印是通過打印和分層源材料來創(chuàng)建三維物體的過程。這些圖層強(qiáng)化并組成了數(shù)字文件中的目標(biāo)對(duì)象。
第一臺(tái) 3D 打印機(jī)是在 1980 年代發(fā)明的,與此同時(shí),技術(shù)也在進(jìn)步。3D 打印現(xiàn)在被用來創(chuàng)造很多東西,包括食物、衣服、家具,甚至假肢。
3D 打印材料包括塑料,金屬,粉末,樹脂,甚至是木材和石頭。
傳統(tǒng)鋰離子電池的缺點(diǎn)
鋰離子電池很有用,在日常生活中使用。手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具和太陽能備用存儲(chǔ)都使用鋰離子電池運(yùn)行。
到 2050 年,全球?qū)⒂?5000 萬輛鋰離子電池動(dòng)力汽車。
然而,鋰離子存在可持續(xù)性問題。生產(chǎn)商必須提取大量的鋰來制造這些電池。天然供應(yīng)并非取之不盡用之不竭。
提取和精煉過程是能源密集型和污染的。這會(huì)破壞土壤和大氣,并對(duì)當(dāng)?shù)匾吧鷦?dòng)物產(chǎn)生負(fù)面影響。
傳統(tǒng)的鋰電池很笨重,在尺寸或形狀上幾乎沒有靈活性。在某些情況下,它們?nèi)菀字?,并且很難回收。事實(shí)上,每 20 噸回收鋰只能產(chǎn)生一噸可重復(fù)使用的鋰。
用于制造傳統(tǒng)鋰離子電池的制造過程既浪費(fèi)又昂貴。鋰離子電池面臨容量和能量密度問題。
因此,尋找更安全、更便宜和可持續(xù)的電池生產(chǎn)方法的競(jìng)賽正在進(jìn)行中。3D 打印固態(tài)電池可能是答案。
固態(tài)電池與傳統(tǒng)電池有何不同?
傳統(tǒng)鋰電池在成本和性能上與固態(tài)電池不同。但主要的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于電解質(zhì)。
電解質(zhì)形成屏障,將電池的正極(陰極)與負(fù)極(陽極)分開。
它是一種化合物,充當(dāng)電流可以流動(dòng)的介質(zhì)。在傳統(tǒng)電池中,電解質(zhì)是液體,例如硫酸。在固態(tài)電池中,電解質(zhì)是固體,例如陶瓷化合物。
固態(tài)電池在關(guān)鍵領(lǐng)域改進(jìn)了傳統(tǒng)鋰離子。這些包括安全性、壽命、充電速度、充電周期和能量密度。
固態(tài)電池將超過當(dāng)前電動(dòng)汽車電池的壽命。這是一個(gè)不小的進(jìn)步。
目前的估計(jì)預(yù)測(cè)將從 20 萬英里擴(kuò)展到大約 200 萬英里。這比現(xiàn)在使用的鋰離子電池長(zhǎng)十倍。
固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)
傳統(tǒng)電池的制造將四個(gè)獨(dú)立的層卷成圓柱體。這些是導(dǎo)電材料、陰極、陽極和電解質(zhì)。
這個(gè)過程被稱為果凍輥結(jié)構(gòu),給這些材料帶來了難以置信的壓力。
為了在過程中完好無損地生存,它們被相對(duì)大量使用。因此,傳統(tǒng)的鋰離子電池體積大、重量大且制造成本高昂。
相比之下,固態(tài)電池的生產(chǎn)使用的材料較少。它們具有更高的能量密度,這意味著它們可以做得更小,但保持相同的能量。
3D 打印固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)
3D 打印通常比傳統(tǒng)的制造方法更有效。傳統(tǒng)的制造從其主要材料的大片開始。然后將其切割并削減成所需的數(shù)量。
這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生材料的廢料邊角料,這可能難以回收。
相比之下,3D 打印僅使用精確數(shù)量的源物質(zhì)。這樣可以將廢料浪費(fèi)減少 70% 到 90%,并使該過程成本更低。
即使使用固態(tài)電池,傳統(tǒng)的制造方法也很復(fù)雜。需要極端的干燥和昂貴的機(jī)械。因此,它們尚未無處不在的原因。
3D 打印方法看起來更簡(jiǎn)單,更精簡(jiǎn)。它相對(duì)容易地制造電池。
3D 打印可以創(chuàng)建具有高度靈活性和可定制性的物體。制造商將設(shè)計(jì)和制造各種不同形狀和尺寸的電池。因此,可以創(chuàng)建電池以適應(yīng)設(shè)計(jì),而不是設(shè)計(jì)師適應(yīng)笨重的形狀。
3D 打印的準(zhǔn)確性是電池制造的巨大優(yōu)勢(shì)。精密印刷可以制造出具有微小孔隙、通道和晶格的電池。這些增加了電池的表面積,從而增加了其容量。
格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院的工程師測(cè)試了 3D 打印鋰電池。使用納米和微尺度孔隙的結(jié)果表明,孔隙率為 70% 的電池的容量是其固體等效物的 2 至 3 倍。
發(fā)表在《電源雜志》上的結(jié)果解釋了更多。
“我們?cè)谶@項(xiàng)研究中使用的 3D 打印工藝為我們提供了對(duì)電極孔隙率的顯著控制,使我們能夠非常精確地設(shè)計(jì)一種新的超材料,能夠解決當(dāng)前一代鋰離子電池的一些缺點(diǎn)。我們創(chuàng)造了一種具有高比容量和面容量的電池,具有出色的循環(huán)性。“
——Shanmugam Kumar 博士,格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院
這意味著需要較少量的鋰來存儲(chǔ)更多的電力。這對(duì)地球來說只能是好消息。
3D 打印電池的發(fā)展現(xiàn)狀
全球有幾家公司正在開發(fā)固態(tài) 3D 打印電池。加利福尼亞州的 Sakuú Corporation 和瑞士的 Blackstone Resources 是其中的兩個(gè)領(lǐng)跑者。
佐久公司
這家科技公司制造了 3Ah 固態(tài)鋰電池。這類似于目前用于手持式電動(dòng)工具的電池。它使用 Sakuu 的專有技術(shù)一次性打印電池的每一層。這包括分離陽極和陰極的陶瓷電解質(zhì)。
根據(jù) Inceptivemind.com 的說法,Sakuú 聲稱他們的新 3D 打印電池“等于或更好”目前可用的電池。
目前的鋰電池能量密度達(dá)到 500-700 Wh / L。而 Sakuú 預(yù)計(jì)他們的 3D 打印鋰電池到 2023 年將達(dá)到 1200 Wh / L。
“使用全新的 3D 打印方法制造的安全,可持續(xù)和高性能 SSB 的到來可以解決關(guān)鍵的供應(yīng)鏈和安全問題,同時(shí)超越當(dāng)今鋰離子電池的限制,”
—— 羅伯特?巴蓋里,Sakuú 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官
黑石科技
黑石集團(tuán)擁有處于先進(jìn)發(fā)展的 3D 打印技術(shù)。它們制造用于液體電解質(zhì)電池和固態(tài)電池的電極。
他們開發(fā)了厚層技術(shù)(TLT)。它生產(chǎn)的固態(tài) 3D 電池的能量密度比現(xiàn)有電池高 20%。Blackstone 的目標(biāo)是將這一數(shù)字至少提高 100%。
“我們的 3D 打印電池使我們能夠?qū)㈦姾奢d流子的能量密度提高 20%,同時(shí)顯著減少對(duì)環(huán)境的影響。該專利工藝基于生態(tài)、純水基工藝,可減少 50% 的浪費(fèi)。通過這種方式,我們正在為交通革命和應(yīng)對(duì)氣候變化做出重要而持久的貢獻(xiàn)。
——Ulrich Ernst,Blackstone Resources 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官
結(jié)論
3D 打印已經(jīng)徹底改變了制造業(yè)。而且在未來幾年,它只會(huì)變得更加普遍。因此,3D 打印電池將成為電池技術(shù)領(lǐng)域的下一發(fā)展趨勢(shì)。
本文來自微信公眾號(hào):出新研究 (ID:chuxinyanjiu),作者:Steve Brown ,編譯:唐詩
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