3D 打印技術(shù)是電池的未來嗎？

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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