2021年2月10日,南極熊獲悉,來自加州理工學院(Caltech)的研究團隊開發了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法。

研究人員利用DLP 3D打印技術,製造出複雜的聚合物結構,然後通過熱後處理轉化為(wei) 有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結構分別被證明可以作為(wei) 陽極和陰極使用,並稱具有優(you) 異的電池性能和穩定性。

加州理工學院研究生Kai Narita解釋說:"已知聚合物的熱解會(hui) 導致碳的形成。我們(men) 的方法利用這一現象來製造3D打印碳材料。我們(men) 使用一種市售的光刻膠與(yu) DLP數字光處理工藝打印來創建3D聚合物結構,然後在1000?C的溫度下熱解,將其轉化為(wei) 碳的結構。"

鋰離子電池的局限性

自50年前發明以來,鋰離子電池已成為(wei) 現代人類生活中不可或缺的一部分,為(wei) 從(cong) 消費電子產(chan) 品到軍(jun) 用衛星等各種產(chan) 品提供動力。因此,在電化學領域,有大量的研究專(zhuan) 門針對提高儲(chu) 能設備的容量,同時使其更小、更便宜、更快充電。

除了可以讓我們(men) 的手機續航更長之外,更好的電池對氣候變化也有重大影響,因為(wei) 它們(men) 可以幫助減少對化石燃料的依賴,而促進可再生能源的使用。遺憾的是,電動汽車以及風能和太陽能電網儲(chu) 能等應用,即使是最前沿的技術,也仍然受到目前能量密度和充電速率的限製。

在傳(chuan) 統的平麵電極鋰離子電池中,能量密度(可存儲(chu) 的能量量)和功率密度(能量釋放率)往往是耦合的。例如,增加電極的質量將增加其能量密度,但由於(yu) 電極厚度的增加,離子和電子被迫在放電前移動更多的距離,從(cong) 而降低其功率密度。如果將這種關(guan) 係解耦,儲(chu) 能設備的能量密度和功率密度都可以同時提高。這就是3D打印的作用。

△3D打印碳電極的SEM成像,圖片來自加州理工學院

3D打印幫了大忙

雖然近年來3D打印實際上已經開始探索應用,但之前的嚐試主要依靠納米油墨擠出,這並不適合高分辨率的零件。而光聚合則解決(jue) 了分辨率的問題,但由於(yu) 它是基於(yu) 聚合物化學的,所以通常與(yu) 電極材料不兼容。

△3D打印的碳電極層特寫(xie) ,圖片來自加州理工學院

利用DLP-熱解技術,加州理工學院的團隊能夠將兩(liang) 者的優(you) 點結合起來,用電極材料生產(chan) 高分辨率的電極。由於(yu) 這項技術能夠打印出厚厚的電極結構與(yu) 微觀和納米大小的子結構,為(wei) 高性能電池生產(chan) 的新方法鋪平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授總結道:"創建3D打印電極,並對結構設計、尺寸以及材料進行完全控製,使我們(men) 更加接近可擴展的、可靠的固態電池製造方法,這種方法安全、機械堅固、高效。"

更多的研究細節可參見《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

《3D打印固態電池:能量密度提高1倍,充電速度提高6倍,下一代電動汽車技術》

南極熊導讀:3D打印固態電池在2021年即將在德國量產(chan) !能量密度提高1倍,充電速度提高6倍!優(you) 先配套德國龐大的汽車製造業(ye) 。寶馬/奔馳/大眾(zhong) /奧迪/保時捷等廠商,在電動汽車時代有翻身的機會(hui) 嗎?

2021年1月,南極熊3D打印網獲悉,瑞士Blackstone Resources(黑石資源 )公司的專(zhuan) 有3D打印鋰離子固態電池技術,取得了一係列重要的突破。它一直通過德國子公司Blackstone Technology GmbH投資於(yu) 下一代電池技術。包括獲得專(zhuan) 利的3D打印技術和對電池批量生產(chan) 的研究。恰好的是,德國是全球3D打印技術最為(wei) 發達的國家之一。

與(yu) 目前的鋰離子電池技術相比,3D打印固態電池具有將能量密度提高一倍,製造成本降低一半的潛力。

3D打印固態電池的比較優(you) 勢

當前最先進的電池生產(chan) 麵臨(lin) 的一些弱點:

不夠靈活,無法支持必須與(yu) 產(chan) 品設計相匹配的組件設計

它仍然太昂貴(目標:<80US $ / kWh)

不適用於(yu) 未來的設計,例如全固態電池

提供的能量密度仍然太低(目標:600英裏且> 300Wh / kg)

原材料仍然不安全

碳排放仍然太高

△3D打印的“多孔”電極可提高能量密度。

可以將電極中的材料打印成三維晶格結果。晶格意味著電極具有更大的暴露表麵積,增大化學反應麵積,電池效率更高。另外,3D打印電池模塊不需要多餘(yu) 的物質即可以實現一體(ti) 化。想象一下,特斯拉85kWh電池組由7104個(ge) 電池組成,將7104塊電池粘合在一起的膠水和電線的重量相當大了。但是如果這些變成是增材製造過程的一部分,而不是多餘(yu) 的材料,能量密度將大大提高。

與(yu) 使用液體(ti) 電解質的傳(chuan) 統電池設計相比,Blackstone Technology的3D打印工藝具有明顯的優(you) 勢。顯著降低成本,提高電池尺寸的生產(chan) 靈活性,可以不依賴電極化學性質而實現這些優(you) 點。

△3D打印固態電池生產(chan) 工作流程

Blackstone的3D打印固態電池技術,解決(jue) 了這些弱點:

3D打印鋰離子電池生產(chan) 已經成熟,且有專(zhuan) 利,在生產(chan) 過程中可提供最大的靈活性;

可節省30%的CAPEX和10%的OPEX,而采用固態技術時,可節省70%的CAPEX和30%的OPEX;

世界上第一個(ge) 3D打印生產(chan) 工藝,可以批量生產(chan) 固態電池;

可將能量密度提高20%,用固態技術時可提高100%;

利用自身資源來縮短供應鏈,並確保長期獲取電池材料;

通過將幹燥過程減少50%,可將能源消耗降低25%,這是電池組電池最重要的製造成本——占總能源成本的45%至57%。

△世界上第一個(ge) 使用印刷電極的功能性電池已通過測試

黑石技術有限公司CEO霍爾格·格裏茨卡(Holger Gritzka)表示:“我們(men) 迄今為(wei) 止在3D打印電池技術方麵的發展,為(wei) 固態電池的大規模生產(chan) 鋪平了道路。除了汽車工業(ye) 等主要市場之外,船舶應用和新型5G無線網絡也將會(hui) 受益於(yu) 3D打印固態電池的優(you) 勢。”

△特斯拉的股價(jia) 已經漲得高到了火星,市值達8000億(yi) 美元,是寶馬+奔馳+大眾(zhong) 等一批傳(chuan) 統汽車廠商市值的總和還高

埃隆·馬斯克(Elon Musk)承認獲得下一代電池技術以及生產(chan) 這些電池所需的原材料的重要性。即使采用減少電池材料量的新技術,電動汽車的需求也可能很快超過這些車輛所需的電池材料量。

馬斯克預計,下一代電池將使用更少的電池金屬(例如鈷),而使用更多的鎳和鋰。實際上,隨著特斯拉與(yu) 大型汽車製造商的入局,所有這些金屬的需求可能會(hui) 大幅增加,大型汽車製造商也開始推出電動汽車,並計劃把全部汽車都電動化。

3D打印固態電池正在量產(chan)

Blackstone Resources開發並測試了3D打印電池,獲得歐洲“地平線2020”計劃資助,在電池密度,充電周期和成本方麵均取得了顯著成績。這家瑞士公司還開發了一種工作流程,可使用專(zhuan) 有的電池打印技術在2021年以各種形狀或形式來批量生產(chan) 這些電池,充電速度最大可以提高大約六倍。

2020年11月,黑石在德國德貝恩鎮薩克森州的Am Fuchsloch工業(ye) 園區開設了第一家3D打印電池生產(chan) 工廠,配套德國的汽車製造業(ye) ,將大量生產(chan) 用於(yu) 工業(ye) 應用以及電動汽車的下一代電池。首期工廠的生產(chan) 能力將達到每年0．5 GWh。

相關(guan) 知情人告訴南極熊3D打印網,首批固態電池原型已經過測試,3D打印大量生產(chan) 所需的許多電池複合材料、外殼和固態電解質。在開發和測試了這項技術之後,Blackstone準備計劃生產(chan) 3D打印的固態電池。這會(hui) 改變固態電池的發展。自動化3D打印生產(chan) 工藝,比傳(chuan) 統的電池生產(chan) 工藝減少了70%的固定投資。固態電池也更安全,不使用對環境更有害的易燃液體(ti) 電解質。

除黑石集團外,現在還有眾(zhong) 多公司爭(zheng) 相角逐下一代電池技術。在下一代技術(包括固態電池和新的先進製造技術)方麵,這些公司可能會(hui) 擊敗特斯拉。

利用3D打印工藝技術,美國Keracel能夠將陶瓷電解質厚度降低到100um,長期目標是達到15um。這些技術進步將使Keracel陶瓷電池能夠提供1200Wh/L的能量密度,這大約是標準鋰離子電池的兩(liang) 倍,並且能夠滿足工業(ye) 和汽車企業(ye) 應用中高倍率需要。

當然,對於(yu) 特斯拉來說,因為(wei) 股價(jia) 高,資本充足,可以通過有針對性的收購迅速加快步伐。