▲ 算法推动核能装备开发
© ORNL

3D科学谷洞察
从提高效率到增强核安全-3D打印的影响

“3D打印技术能够制造出足以承受核反应堆极端环境的坚固材料，并生成以前难以生成或不可能生成的复杂形状。3D打印技术在核工业中的具体应用包括核反应堆元件制造（核反应堆堆芯制造、核燃料组件隔离栅、核燃料组件下管座、核反应堆压力容器制造等等） 、核辐射屏蔽材料、核电厂消防泵叶轮等等，这些应用揭示了3D打印技术在核工业中的多样化和潜力，从提高制造效率到增强核安全，3D打印技术正在成为核能领域的一个重要制造方式。”

 算法驱动

在核工业中，3D打印部件的检测通常会遇到各种挑战，其中3D打印部件的质量检测通常依赖于高精度的计算机断层扫描（CT扫描），这些扫描利用X射线技术，对部件的内部结构进行详尽的检查，以确保无缺陷。然而，传统方法不仅耗时，而且昂贵。

此外，在核反应堆中取出的材料往往含有放射性，因此，长时间的X射线CT扫描不仅对实验室技术人员的安全构成威胁，还会因为辐射导致探测器磨损，限制使用寿命和图像准确性。这些挑战涉及到技术、安全、成本和环境等多个方面，需要通过技术创新和严格的质量控制流程来克服。

虽然3D打印部件的检查时间可能因应用而异，但专家估计它可能占总生产时间的 25% 左右。这就是为什么检查过程越复杂，就越难以快速高效地交付产品。

在AM-增材制造行业，多家技术提供商已将开发能够快速高效检查的检查解决方案作为其核心业务。来自 ORNL美国国家橡树岭实验室的核能部门的研究人员加入了这一行列，他们创建了一种软件算法，将用于核应用的3D打印零部件的检查时间缩短了85%。研究人员现在正在为爱达荷国家实验室 (INL) 训练算法，以便将类似的方法应用于辐照材料和核燃料。

ORNL 的新软件算法使用机器学习快速重建和分析图像，从而显着减少执行检查所需的成本、时间和扫描次数。

INL的研究人员应用 ORNL 的新算法，在不到 5 小时的扫描时间内分析了 30 多个3D打印样品部件。如果没有该软件，每次扫描将需要30多个小时才能完成，这为放射性物质和燃料的潜在应用打开了大门。

INL的研究人员通常会推迟检查间隔时间，延缓从核反应堆中取出的零件，以确保实验室技术人员的安全。长时间的X射线 CT扫描过程中产生的辐射也会磨损探测器，限制其使用寿命和图像的准确性。更短的扫描时间意味着每次扫描的辐射剂量更少，等待时间更短，同时能够获得更高质量的数据并更快地反馈给训练模型。

根据3D科学谷的市场洞察，这一突破性的进展不仅大幅降低了检测成本和时间，而且对核工业的质量控制流程产生了重大影响。该算法通过快速重建和分析计算机断层扫描（CT）图像，减少了执行检查所需的成本、时间和扫描次数，这种加速的检测能力为辐照材料和核燃料的应用开辟了新的可能性。

根据INL的仪器科学家兼衍射和成像小组负责人，这种算法的应用将显著提高操作安全，加快新材料的评估速度，并加速新核能理念从概念到电网实施的整个生命周期。

ORNL的研究员Amir Ziabari是该算法的开发者，他正在训练该软件，以便未来能应用于放射性物质和燃料的检查。

ORNL和INL之间的合作预计将加快新型反应堆的开发和部署，以实现电力部门脱碳，该软件技术得到了美国能源部先进材料和制造技术（AMMT）的资助，旨在加速新材料和制造技术的商业化进程，以支持美国制造业的创新和竞争力。

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 性能优于传统焊接修复

激光增材再制造技术是以激光为热源，以数字模型文件为基础，运用粉末状或丝状金属，采取激光熔覆、堆焊的方式来恢复物件原有结构及尺寸的新技术。

高端测井仪器服役工况及环境恶劣，其关键复杂构件的制造不仅需要采用特殊的高韧性、高强度、无磁性、耐腐蚀原材料，而且生产难度大、周期长、成本高。

为满足快速修复高端测井仪器的需求，工程材料研究院积极发挥自身优势，牵头开展测井仪器复杂构件激光增材再制造技术研究，延长高端测井仪器的使用寿命，并科学合理控制施工成本。

经过2年多的持续摸索和反复试验，科研人员相继攻克了焊材配型、材料优化、焊接工艺参数优化、成形控制、表面改性等多项核心技术，有效解决了焊材与本体金属互熔等影响整体结构安全性能的难题，在行业内首创并形成了具有熔池浅、热影响区小、本体焊接变形小、焊后材料性能均匀、无须焊后热处理等特点的激光增材再制造技术。经测试，采用这种新技术修复的产品，各项性能均优于应用传统焊接修复技术修复的产品。

工程材料研究院将通过优化焊材、完善工艺、制定行业规范（标准）等举措，持续打造应用技术创新研发高地，为中国石油主营业务降本增效贡献智慧和力量。

l 来源：中国石油报

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西屋电气公司最近实现了一个重要的里程碑，为 VVER-440 反应堆燃料制造了第 1,000 个 3D打印燃料流量板。这一特殊部件代表了核能行业的一项重大成就，因为它是核能领域第一个进入批量生产的安全相关的3D打印部件。

▲ 3D打印核反应堆组件
© 西屋电气

在反应堆应用中部署 3D 打印组件是一个重要的里程碑，这表明通过增材制造在高度监管的环境中制造合格的组件是可能的。这将基础科学和应用科学与技术联系起来，提供有形的解决方案，展示先进制造如何改变反应堆技术和组件。

3D科学谷市场观察

▲ 核能领域3D打印应用
© 3D科学谷白皮书

 里程碑

核电行业的一些专业设备结构比较复杂、使用环境相对苛刻，同时对零部件的机械性能要求很高。3D打印技术在小批量产品快速制造、复杂零部件制造领域颇具优势，国际和国内目前在将3D打印技术应用到核电组件的探索方面获得了不断的突破。

西屋公司的AM-增材制造的流量板安装在 VVER-440 燃料组件中，可以重新设计组件的底部，从而获得更强大的性能。VVER反应堆是水-水高能反应堆，核反应堆的一个典型设计特点是分层安全屏障，防止放射性物质逸出。

VVER 反应堆具有三层，VVER反应堆的燃料是二氧化铀（UO2），被压制成高约9毫米、直径约7.6毫米的圆柱形颗粒。燃料芯块与包壳一起构成燃料棒，反应堆堆芯由312个燃料组件、37个控制棒和冷却剂组成，冷却剂是轻水，也充当慢化剂。

2015年，西屋公司进行了首次AM-增材制造核部件的材料辐照研究。2020 年，西屋公司在正在运行的商业反应堆中安装了第一个安全相关的增材制造组件，即顶针堵塞装置。2022年，西屋与工厂运营商 Teollisuuden Voima Oyj (TVO) 和 OKG 密切合作，在 StrongHold AM 过滤器的3D打印制造中增强了部件的捕获功能，以防止碎片进入燃料组件，防止可能损坏包壳。如果没有这种保护和使用这种技术，很容易发生计划外和代价高昂的核能发电中断。发展至今，目前所取得的第1000 个3D 打印 VVER 燃料部件具有里程碑意义，通过在核工业中部署增材制造以实现低成本和降低交货时间，从而实现尖端能源发电解决方案方面领导地位的延续。

反应堆堆芯由大量细长的燃料组件组成，每个燃料组件包括多个包含易裂变材料的燃料棒，其反应以产生热量。每个燃料组件的燃料棒由多个栅格保持成有组织的，间隔开的阵列，这些栅格沿着燃料组件的长度轴向间隔开，并附接到燃料组件的多个细长的控制杆导向套管。

 更安全

根据3D科学谷《利用3D打印和人工智能改进核反应堆技术》一文，通过引入增材制造技术-3D打印技术，可以在不进行进一步组装或焊接过程的情况下打印西屋电气开发的隔离栅，西屋电气设计的间隔栅具有沿着细长燃料组件的竖直轴线的轴向尺寸，核燃料组件格栅包括多个管状燃料棒支撑单元，具有四个横截面通常为正方形的壁。在相邻的燃料棒支撑室或控制棒支撑室中，每个壁的内部支撑垂直弹簧。西屋电气还考虑了一种混合叶片，该混合叶片在燃料杆支撑单元之间的区域中，连接至燃料杆支撑单元的外部。

在核能行业，增材制造在复杂部件和原型的生产中发挥着至关重要的作用。能够快速制造复杂的设计，减少与传统制造方法相关的交货时间和成本。该技术可以制造具有更高耐用性和精度的专用零件，这对于确保核电站的安全性和可靠性至关重要。此外，3D打印还可用于生产抗辐射材料和工具，用于放射性环境中的维护和维修。

根据3D科学谷的市场观察，3D 打印使的开发人员能够使用一些高性能材料实现高度复杂的设计，例如用于冷却通道的设计，这在以前是不可能的。还可以使用新的材料，例如，使用碳化硅等材料，这样可以显着提高核芯的性能和安全性。

此外，3D 打印有助于小体积和“混合”结构的构建。这意味着，研究人员可以将其他组件嵌入并结合到材料中，特别是传感器。

通过将传感和传感器整合并嵌入结构中，开发人员可以从系统中提取更多信息，例如设备运行监测。这使开发人员能够从整个系统中获取更多数据，这对于降低运营成本很重要，因为这创建了一个更可靠的系统，具有更好的监控信息，这意味着更多的流程可以实现自动化。

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3D打印电池离产业化还有一段距离，这条赛道上涌现的是百花齐放的不同技术，本期，3D科学谷与谷友共同了解下一代电池，谁主沉浮？

纳米电燃料
© Influit Energy

 液流电池

根据新华商学，早在2021年，国家发改委和能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》文件就特别提到，要坚持储能技术多元化，实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。

液流电池一直都是长时储能的“后备军”，有了政策的加持，液流电池的发展按下加速键，逐渐来到了“台前”。

液流电池是一种利用两种或多种溶解在液体中的活性物质，在离子膜两侧进行氧化还原反应来储存和释放能量的装置。前期碍于产业化困难，液流电池长期停留在实验室当中。

但在2022年，液流电池产业化取得突破性进展，兆瓦级产品量产交付，首个吉瓦时级别项目集采开标，大连液流电池储能调峰电站一期成功并网等诸多事件，业界看到了发展的曙光。

相比起磷酸铁锂等新型电池，液流电池其活性物质是单独储存在外部储罐中的液体电解质，输出功率和储能容量相互独立，可拓展性能良好，能够解决锂电池储能两者不可兼得的问题。

根据新华商学，2023年，液流电池将迎来元年，背后的商业逻辑来自于两点。

一是磷酸铁锂等锂电储能的安全性问题解决不了，但液流电池不存在这个“风险”；二是液流电池吃的是“长时储能”的红利。

据称，随着风光新能源并网装机占比达到31.7%，对调峰能力更强的3-10小时以上长时储能的需求变得更为强烈，2小时时长的锂电储能已经“力竭”，难以满足4小时以上高峰时段的削峰填谷。于是，商业化程度最高的全钒液流电池恰恰能堪大任，在支撑电网稳定运行中发挥关键作用。

 纳米电燃料

根据“较高端科普”公众号，2022年8月5日，Influit Energy联合创始人兼首席执行官John Katsoudas对外宣布：“我们创造了一种基于复合材料的新型液态电池，这种电池是一种纳米流体，其中的纳米颗粒是电池活性材料，我们称之为纳米电燃料（Nanoelectrofuel，NEF）。NEF使电车像燃油车一样，通过在电池换液站补液或换液，瞬时补足电量，解决续航焦虑！我们将所有的技术都融合在一起，创造出了世界上第一种可充电、安全的电动燃料，而且这种燃料稳定、安全、可循环、零排放以及可定制。”

NEF的设计采用了Nanoelectrofuel—一种独特的液体，其中微小的电池活性颗粒可永久悬浮，可在定制的液流电池中多次充电和放电。纳米电燃料电池的运行容量比传统液流电池大得多，它还具有许多其他优势，其中包括热安全性、成本更低、效率更高、灵活性和适应性。高能量密度纳米电燃料的使用为跨学科的科学探索提供了广袤的空间，并有望彻底改变储能现状。

 3D打印电池

根据3D科学谷，传统的电池制造具有显着的局限性：能源使用和碳排放、工厂占地面积大、材料浪费和效率低下、供应链依赖性、无法定制电池形状和尺寸、模具成本高、扩张受限。

3D科学谷了解到通过本地化的超级工厂和规避常见供应链问题的生产模式，可持续地、经济高效地大批量生产电池，并具有更大的供应链弹性。通过这种新颖的增材制造工艺生产电池，电池可以在国内大规模生产，以快速供应面临需求激增的行业，例如电动汽车制造商。

电池的 3D 打印是一个令人兴奋的领域，具有很大的潜力，特别是在将废旧材料回收到新能源设备方面。鉴于对电动汽车、电脑、手机等的高需求，利用旧电池的材料进行3D 打印新电池的能力对于维持目前的材料供应可能至关重要。凭借增加的能量密度和紧凑、定制尺寸和形状的额外好处，3D打印电池可能会改变人类生产储能产品的方式。

这其中，Sakuu 一直致力于通过3D打印制造最佳固态电池，用于电动汽车和其他应用。Sakuu的WO2019152531A1专利针对单片陶瓷电化学电池外壳，其中包含阳极和阴极接收空间，以及两者之间的隔板。这能够带来更高的充电率，而不会引发锂电池的安全风险。这是对先前于2020年获得的两项电池专利，集成电池堆电池和单片固态电池的补充。这些结构共同提高了固态电池的能量密度，同时不会影响稳定性和寿命。

© Sakuu

除了800Wh/L基准外，目前测试的Sakuu第一代锂金属电池在200次循环后还表现出 97% 的高能量保持率。电池在保持无枝晶的同时，预计在循环完成后在800次循环中记录80% 的保留率。

同时，Sakuu正在努力使其增材制造 (AM) 系统能够大规模生产这些电池。这家初创公司声称，其 SSB 可以比目前可用的锂离子电池小 50%，轻 30%。不仅如此，Sakuu 还认为他们可以以更低的成本进行批量生产，同时由于3D打印技术在成形方面的自由度，带来了定制形状和尺寸等好处。

Sakuu预计其第二代全3D打印SSB的能量密度将再次大幅飞跃，样品电池交付将于 2023 年初开始。世界上第一款由Sakuu 的 Kavian™ 平台诞生的 3D 打印电池将提供快速、大规模的交付能力，在超级工厂环境中批量生产电池，支持大规模、低成本3D打印电池制造。

Sakuu希望成为人类重塑可持续能源生产的一部分。Sakuu的使命是建立一个由变革性产品驱动的品牌，这些变革性产品可以为社会和环境变化留下有影响力的遗产。

更好的能量密度、可持续发展、热安全性、成本更低、效率更高、灵活性和适应性，液流电池、纳米电燃料、3D打印电池，谁将定义下一代电池？让我们拭目以待！

参考资料：

1. 液流电池：储能赛道的下一个宁德时代？/新华商学

2.突破！解决电车安全性和续航问题！电车也能像加油一样加液态纳米燃料电池！

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 增材制造与核动力

增材技术在核能领域应用前景巨大，有望开发出性能跨越式提升的核能装备。同时，也能提高核能装备的制造效率和精度、加强核能装备的安全可靠性。但目前国内增材制造过程缺乏监控手段，尚无法何保证增材制造过程完全受控。而核动力院的“核能装备全过程监控成形制造”项目正是为了疏通这个卡点。

核动力院开发的“睿眸”过程监测系统，不仅能对生产状态进行实时监控，还可以对打印异常进行智能判断，最终形成增材产品制造全过程数字质量全程记录文件。目前该技术已与国内多个品牌的3D打印机完成了适配，也在核动力院增材研发鉴定过程中进行了示范应用。

核动力院是国内核能领域最早开展并持续推进增材技术研究的单位，早在2021年就被工信部确定为“增材制造一条龙”在核能领域的龙头单位。下一步，核动力院将着力推进增材产品在核能领域的广泛应用，为核动力事业高质量贡献力量。

来源 l 中国核动力研究设计院

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早在2021年，宁德时代新能源科技股份有限公司（下简称“宁德时代”）宁德工厂被世界经济论坛（WEF）评选为“灯塔工厂”，成为全球首个获此认可的电池工厂。
© 宁德时代2021年公布

目前全球锂电行业仅有3座“灯塔工厂”，均来自宁德时代。2016年，宁德时代的全资子公司江苏时代新能源科技有限公司在溧阳注册。为解决需求激增、劳动力成本上升等问题，并实现碳中和承诺，江苏时代采取了多项措施，包括运用大数据模拟质量检验，通过增材制造减少转换时间，利用计算机视觉实现微米级质量检验，以及利用深度学习优化过程控制和能源管理。成功实施后，江苏时代的产能提升了320%，制造成本降低了33%，产品单体失效率从百万分之一降低到十亿分之一，二氧化碳排放量减少47.4%，质量缺陷减少99%，缺陷衡量标准也从“百万分之一”升级到“十亿分之一”。
为鼓励创建“灯塔工厂”，常州拿出“真金白银”支持“新能源之都十条”，对创建“灯塔工厂”的企业给予最高300万元奖励。

报道来源 l 新华日报

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3D打印技术作为一项颠覆性的制造技术，已经广泛应用于各个领域。而在电池行业，3D打印技术也开始崭露头角，为电池的制造和发展提供了新的机遇。随着3D打印电池被反复提及，我们也在思索该技术究竟为行业带来了什么样的变革。

全固态电池作为一种新型电池技术，具备多样的优势。相比传统的液态电池，全固态电池采用固态电解质，能够有效避免液体电解质泄漏和发生燃烧爆炸等危险情况。其次，全固态电池具备更高的能量密度和更长的使用寿命。

作为下一代电池技术的关键方向，全固态电池一直面临着制造难度大、成本高等问题，目前仍停留待产业化阶段。因此，各大电池制造厂商从材料、技术等方面积极探索解决方案。

与其他解决方案相比，3D打印技术的应用使得全固态电池能够以更紧凑的形态构建，减少内阻，并提高能量密度。此外，3D打印技术能够实现多种尺寸和形状的电池设计，为各种应用提供更大的灵活性和自定义能力。

通过层层堆叠的方式，3D打印技术可将固态电池的各个部件精确制造出来，从而实现快速、灵活的生产。而且，3D打印技术还可以应用于多材料一体化制造，使得电池的设计更加个性化和定制化。

与传统电池相比，3D打印全固态电池具有以下显著优势：

1.电极精度高

借助微米级制造控制能力，电池3D打印技术能够实现最薄10μm以内超薄电介质薄膜及复合电极层制备，为全固态电池界面优化提供有效的结构基础。

2. 制造效率高

传统电池的制造过程通常需要多个工序和大量的人工操作，而通过3D打印技术，可以一次性完成电池的制造，从而大幅提高制造效率。该技术能够实现复杂的内部结构和精确的尺寸控制，为电池的制造提供了更大的灵活性和精度。

3. 稳定性高

通过3D打印的单个样品及同批次样品均匀性好，一致性高，制得的极片或电芯性能稳定，且正反面打印定位准确，能快速制备双面极片和极片/电解质复合膜。

4.个性化和定制化需求

3D打印技术允许根据用户的需求进行个性化和定制化的设计与制造。在电池领域中，这意味着可以根据不同设备或产品的特定要求，定制电池的形状、尺寸和性能等。对于一些特殊行业或应用场景，例如医疗器械、智能穿戴设备、航空航天等，3D打印电池能够满足其独特的需求，开启更多应用领域。

5.操作简单

人机交互界面，可支持网络传输打印数据，实现在线打印，实时监测和修改打印参数，实现一键式打印电芯。

6. 节能环保和可持续发展

3D打印电池所需的原材料相对较少，制造过程中减少了大量废料和耗能，相比传统电池制造具有较低的能耗和碳排放。此外，尽管目前3D打印电池在材料利用率方面仍面临挑战，但随着技术的不断完善，相信能够实现更加高效的材料利用，进一步降低环境影响。

7. 新兴应用领域的推动

3D打印电池的市场前景受到新兴应用领域的推动。随着人们对便携式电子设备、智能家居、电动车和可再生能源等需求的不断增加，对于电池续航能力和性能要求也越来越高。3D打印电池作为一种新型电池技术，具备高能量密度、快充电速度和良好的安全性能等特点，能够满足这些新兴应用领域的需求，因此有着广阔的市场前景。

高能数造3D自研3D打印电池设备

当下，国内外已有多家公司利用3D打印技术推动全固态电池的发展。来自本土的高能数造是国内较早聚焦并推出3D打印电池设备的产业化公司，依托其自主研发的电池3D打印技术，已推出三代电池3D打印专用装备。

针对新能源电池研发制造的专业需求，高能数造自主研发了浆料挤出层叠（SEL）3D打印技术，并取得多项自主知识产权的3D打印授权专利。

通过SEL增材制造技术和电池浆料专用3D打印电池数字制造装备，能够低成本且快速的制造复杂形状的电池和具有独特设计3D结构的电池，从而支撑将微孔厚电极、微型电池和全固态电池的设计变成真实的电池产品，实现更高性能电池的开发与制造。

由高能数造自研的3D电池打印设备可在10μm级高精度和高设计自由度的条件下，实现全固态电池的一体化智能制造。该设备具备广泛的材料适用性，能够直接使用各种不同的材料进行电池的一体化制造，无需对电池材料进行特殊改性调整。通过创新的结构设计，轻松实现10微米精度内介尺度微观有序多孔电极结构的设计与制造，从而改善全固态电池的固固界面，并有效提升电池性能。

此外，该设备可以根据正负极材料的差异打印不同的电解质层，实现阶梯化电解质层的有效制造。这样一来，不仅解决了全固态电池固固界面阻抗大的问题，还可以在电极层表面原位固化电解质浆料，形成紧密结合的固固界面接触和连续的离子传输路径。

当前，3D打印全固态电池的产品仍停留在实验及研究阶段，在产业化方面仍存在巨大的挑战。

1. 材料选择：制造高性能的全固态电池需要选择适合的固态电解质和电极材料。目前可用的材料选择相对有限，需要在电池性能和可打印性之间做出权衡。

2. 制造工艺：全固态电池的制造工艺比传统电池更为复杂，需要特殊设备和严格的操作要求。当前的3D打印技术仍需要进一步发展，以实现对全固态电池的精确和高效制造。

3. 安全性和稳定性：作为一种电池技术，安全性和稳定性是至关重要的方面。全固态电池的安全性能需要得到充分验证和保障。此外，全固态电池需要具备长时间的循环寿命和稳定的性能，以满足实际应用的需求。

4. 成本和商业化推广：当前，3D打印全固态电池制造的成本相对较高，并且商业化推广仍面临一些挑战。

针对以上问题，高能数造在近期推出了全新一代全固态电池3D打印智能制造小试线，突破性地将3D打印技术应用于电池制造领域，为全固态电池的数字化智造提供创造性的工艺路径与智能装备解决方案，满足不同规模电池材料快速验证测试需求和全固态电池的产业化生产。

通过聚焦电池材料与结构设计研发需求，高能数造将电池制造过程中的多个工艺节点进行了智能化整合，实现了从浆料制备、电芯3D打印制备、极片辊压、极耳焊接、电池封装、到高精度模切的电池全流程一体化智能制造，并能够为客户提供一键成品式全流程解决方案，模块化设计，柔性化集成，可高效实现从制浆到电芯的高精度多材料一体化制造，节省大量调研及测试时间，实现轻量化快速生产。

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以下文章来源于材料人视角 ，作者材料人视角

陶瓷是一类独特的材料，具有能源应用所需的许多结构和功能特性。在无法使用金属和聚合物的能源应用中，陶瓷通常需要提供改进的性能，包括热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性、强度和导电性等。陶瓷通常难以加工，但许多增材制造技术正在开发中，以改进制造并降低相关成本。

本文强调了增材制造技术未来在先进电极架构设计和制造中的关键作用。 总结了当前3D打印技术在结构ESD（例如锂离子电池（LIB）、锌锰氧化物（Zn-MnO2）、锂硫电池（LiS）和超级电容器）制造中的进展。这里仅介绍了电池领域应用最先进的3D打印技术，讨论了通过增材制造工艺生产的整个能量存储设备的突出例子。

 电池的传统制造、增材制造的机会和前景

用于便携式和固定应用的高效电化学储能是当今最大的技术挑战之一。电池或超级电容器等器件在现代社会中发挥着重要作用，储能器件（ESD）开发的主要目标是达到高能量密度和高功率密度的要求，同时在实际使用中保持较长的循环寿命，并在并行满足安全要求。尽管现有的传统技术制备的ESD满足了众多应用的需求，但它们在柔性器件和结构器件等各种特殊场景中的使用仍然无法实现。

新兴的增材制造技术给电化学储能装置及其组件的制造工艺带来了巨大的革命。增材制造还可以通过先进的电极架构设计来提高储能设备的性能。目前研究发现3D打印技术比用于制造公共电极/ESD的传统方法具有一些优势。使用同一台设备实现了整个器件（电极/电解质/集流体/包装）的快速、可重复生产，从而显著简化了工艺、降低了成本并提高了最终产品的质量。此外，3D打印可以通过调整打印油墨的特性（例如粘度、成分）和打印参数（例如速度、流量和工具路径）来控制形状和结构。它还可以精确控制电极负载和微观结构。这种精确的控制可以显着减少所使用的原材料和产生的废物。此外，可以通过可扩展的方式轻松制造更复杂的电池结构设计。

© 3D科学谷白皮书

锂离子电池因其高比容量、高能量密度、低廉的价格和环境友好性而在我们的日常生活中变得无处不在。LIB的基本工作原理如下：在充电过程中，锂阳离子从富锂正极材料中脱出，扩散到电解质中，并插入到贫锂负极中，而电子则沿相同方向转移通过外部电路。放电时，会发生相反的过程，并释放电能。通常，LIB由阴极/阳极、隔膜、电解质和包装材料组成。锂离子电池的整体电化学性能受到每个组件的影响。

传统的LIB主要采用2D打印技术制造。通过将由活性材料、导电添加剂和粘合剂组成的浆料刮涂到集流体上来制备电极。钴酸锂（LCO）、镍锰酸锂（NMC）、镍钴铝锂（ NCA）和磷酸铁锂（LFP）是正极活性材料最突出的例子，而石墨、石墨-硅复合材料和钛酸锂（LTO）代表最常见的负极材料。为了提高电极的容量并达到最佳能量密度，需要高厚度的二维平面几何电极。然而，较厚的电极意味着较长的锂离子传输路径，从而导致锂离子电池的倍率性能和耐久性受损。增材制造可用于开发具有高表面积、更高电导率和离子可转移性的电极结构，同时具有实现下一代锂电池目标所需的良好结构稳定性。离子的快速转移得益于电极材料的低弯曲度，因此弯曲度低得多的电极的对齐3D打印结构会导致更短的离子/电子转移路径，并实现更快的电荷转移。

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锂离子电池电极有多种3D架构设计来实现高能量密度和高功率密度电池。在这些3D打印方法中，直接墨水书写（DIW）由于简单的打印机制和低成本的制造工艺而成为打印锂离子电池最常用的技术之一。此外，DIW 3D打印方法提供了广泛的材料选择，包括陶瓷、金属合金和聚合物，这使其能够直接打印高质量负载的活性材料。孙等人通过DIW方法生产了一种具有叉指结构的LFP阴极和LTO阳极微电极阵列的锂离子电池（图1）A和B），其在2.7 mWcm-2的功率密度下表现出9.7 J cm−2的高面能量密度（图1C）。

图1. (A) 3D 叉指微电池架构示意图，(B)通过 30 µm 喷嘴沉积LiFePO 4 (LFP) 墨水（60 wt% 固体）以产生多层结构的光学图像。(C) 打印、未封装的 3D 叉指微电池架构 (3D-IMA) 的能量和功率密度与文献报道值的比较。

立体光刻（SLA）3D打印方法也用于锂离子电池制造。科恩等人通过SLA设计了各种形状和尺寸的3D打印微电池，由三层结构组成，包括LFP阴极、LiAlO2 -PEO膜和通过电泳沉积生产的基于LTO的阳极。当3D LFP电极从0.1 C循环到10 C时，面积容量达到400-500 Ah cm -2在穿孔的石墨烯填充聚合物基板上获得，这些全电池的面能量密度是商业平面薄膜电池的三倍。通过这些3D电极架构设计，可以实现具有接近理想倍率性能的高能量密度锂离子电池。

固体电解质电池在安全性和稳定性方面具有非凡的优势，使其成为最有前途的高能量密度下一代电池。固态电解质通常是不可燃材料，而不是传统锂离子电池电解质中使用的有机碳酸酯溶剂和反应性锂盐。固体电解质的强机械性能和高电化学稳定性使得能够形成以锂金属作为阳极的电池，因为电解质抑制锂枝晶的生长以及循环过程中高电压下的化学沉积。然而，与传统液体电解质相比，固态电解质会导致较高的界面电阻。电解质与电极之间的界面接触不良，离子电导率有限厚固体电解质的存在是高电阻的主要原因。对于固态电解质的传统制造方法，扁平颗粒是最常见的结构，平面界面最大限度地减少了界面接触面积并增加了电池电阻。然而，3D打印提供了一种通过构建复杂架构来降低电池电阻的解决方案。3D打印已开发出多种墨水配方，进一步烧结后可形成具有各种图案的独特固体电解质结构。例如，麦克欧文等人通过3D打印陶瓷石榴石型Li7La3Zr2O12 3D打印固体电解质微结构（LLZ）作为模型固体电解质材料。堆叠阵列图案为电解质提供了比传统平面结构更高的表面积，可与锂金属电极结合。结果，全电池的界面电阻降低。界面接触面积的改善导致全电池电阻显着降低，从而提高了固体电解质电池的能量和功率密度。

市场上的Zn-MnO 2电池为不可充电版本，但也存在可充电版本。Zn-MnO 2被称为碱性电池，因其非锂基、安全且环保而广泛应用于可印刷电池。使用基于聚丙烯酸（PAA）的聚合物凝胶电解质（PGE）实现了印刷Zn-MnO 2电池，在0.5 mA放电时放电容量为5.6 mAhcm -2 。印刷电池的放电容量已在弯曲条件下进行了表征，两个电池串联并弯曲至 0.3 cm 半径，成功为绿色发光二极管供电。另一项研究展示了一种高能量密度的 Zn-MnO 2电池，其电极是使用基于溶液的嵌入工艺制备的。据称，该电池可用于为集成有应变传感器和微控制器的发光二极管显示器供电。

硫电极与金属锂阳极结合时理论容量为1675 mAhg-1，理论能量为2600Whkg-1，使Li-S电池成为下一代电池的极有前途的候选者。然而，硫和硫化锂的电绝缘性质、由于多硫化物溶解度高和氧化还原反应过程中体积变化大（80%）而导致循环性能较差阻碍了LiS的使用，因此设计高效的锂硫系统仍然是一个挑战。与锂离子电池一样，面积容量决定了电极的总容量，从而决定了整个电池的能量密度。因此，高能量密度的锂硫电池需要具有高活性材料负载的更厚的硫电极。通过在3D打印过程中堆叠多层活性材料，可以通过3D打印来实现具有良好导电性的更厚的硫电极。例如，有的研究人员证明可以通过堆叠六层来印刷厚度为600μm的S电极，从而获得812.8mAhg−1的高可逆容量。此外，S电极的电子和离子电导率可以通过结构设计来优化。有的团队开发了一种3D打印的网格结构硫/碳（S/C）阴极，以商业炭黑作为硫的主体材料，其中含有丰富的微孔。这种分级多孔结构由3D打印产生的宏观孔隙（数百微米）和聚合物粘合剂聚偏二氟乙烯-六氟丙烯相转化产生的纳米孔隙构成，增加了电极Li +传输通道的表面积。在5.5 mg cm-2的高活性硫负载下，首次放电比容量高达912 mAhg-1在 2 C 的高倍率下，200 个循环内的容量保持率为85%。与没有这种微架构设计的S电极相比，这种性能显着增强，其在0.5 C倍率下显示出186 mAhg -1的低容量和43.4%的低容量保留率。

 结论

增材制造技术对电池领域的发展具有极大的吸引力及促进作用，能够极大的提供电池的效能。但电池领域的增材制造技术从研究走到产业，实现性能稳定还是有一段很长的路要走。

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德国德国联邦经济事务和气候行动部资助的3DPrintBatt——“固态钠离子电池可持续、灵活增材制造技术”项目将持续到2025年2月。该项目总预算为2500万欧元（资金代码16BZF351C），德国弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所参与了该项目，其中大约50万欧元将投资于一条用于生产固态钠离子电池的新创新3D打印生产线，并将在该研究所设立。

3D打印钠离子电池
© Fraunhofer IFAM

根据3D科学谷，3D打印电池技术发展至今，不仅在“大局”上有不同之处，在最小的微米和纳米级别上也有所不同。在纳米级别，3D打印技术对电池电极的结构产生了很大影响，这就是能量密度增加的原因。长期以来，“多孔”电极可以提高能量密度，而增材制造非常适合该工艺，这意味着电极中的材料可以构建成三维点阵晶格结构。

新能源汽车产业链
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晶格结构可以为材料内部的电解质有效传输提供通道，就锂离子电池而言，具有多孔结构的电极可以带来更高的充电容量，这种结构允许锂穿透电极体积，导致非常高的电极利用率，从而具有更高的能量存储容量。在普通电池中，总电极体积的30%～50%未被利用，通过使用 3D 打印克服了这个问题。此外，通过创建微晶格电极结构，允许离子通过整个电极有效传输，这也提高了电池充电率。点阵晶格意味着电极有更多的暴露表面积，从而带来更高效的电池。

在“3DPrintBatt”项目中，弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所以及来自工业和研究领域的合作伙伴正在将用于电动汽车和其他应用的钠离子电池3D打印转移到试生产，专家们将电池专业知识与增材制造技术相结合，特别专注于浆料的开发和生产。

 替代锂离子电池

根据弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所，未来的电池是安全的、可持续的、灵活的和强大的。这就是为什么德国正在研究新型固态电池，因为这类电池可以实现更高的能量密度和更高的安全性，在这种情况下，采用基于钠的固态电解质的电池代表了现有锂离子技术的一种有前途的替代品，因为原材料钠比锂更环保、更容易获得并且更便宜。

3D打印钠离子电池
© Fraunhofer IFAM

该项目的研究重点是固体离子导体的进一步开发以及电池单元的构建和表征。除了生产薄层以降低电池内阻之外，还必须研究出这种新电池技术的操作条件。

原型钠电池的生产将采用可使用多种活性材料的方式设计，因此，可以快速且经济高效地对电池的设计进行特定于产品的调整。弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所发现3D打印过程在这方面起着决定性的作用，除了实现灵活的几何适应之外，还可以优化体积。

该项目主要融合了浆料开发、打印工艺和加工领域的经验。浆料的开发和生产是后续电池的起点，这也是该项目特别关注的原因。通过印刷进行的后续加工受到特定浆料特性的显着影响，并且随后的电池性能也强烈依赖于印刷电极的成分和内部结构。

依靠该项目创新生产线的成果，Blackstone Technology GmbH 将在其位于萨克森州 Döbeln 的工厂建立一条中试生产线。3D打印钠离子电池将在合作伙伴 Eurabus 的电动巴士上进行评估。对该项目开发的进一步支持来自蔡司、粒子技术研究所、布伦瑞克工业大学以及弗劳恩霍夫IST 研究所 和弗劳恩霍夫IKTS研究所 。根据3D科学谷《能量翻倍，价格减半，洞悉黑石3D打印电池背后的技术逻辑》一文，黑石技术的3D打印工艺具有明显的优势。这些措施包括显著降低成本，提高电池尺寸的生产灵活性以及使能量密度提高20％。

此外，通过使用3D打印技术，可以将不存储能量的材料（即铜和铝）的数量减少多达10％。可以独立于电极化学性质实现这些优点。根据黑石技术，结合迄今为止在3D打印电池技术方面的发展，这一发展为固态电池的大规模生产铺平了道路。除了汽车工业等主要市场之外，船舶应用和新型5G无线网络还将受益于3D打印固态电池可以提供的优势。

 从实验室走到工厂

那么是否仅仅德国和日本在重视钠离子固态电池的开发？答案是全世界都在重视这件事情。

根据科学中国，未来的十年,电池工业将经历一场革命性变革,目前的技术格局将会发生改变。在这场变革中,固态电池被视为备受瞩目的技术方向。在2022年7月21日举办的世界动力电池大会上,中国科学院院士欧阳明高指出,从技术角度来看,固态电池是最值得重视的技术之一,预计在2035年之前,将能够规模生产能量密度为500Wh/kg的下一代电池。然而,由于各种原因,制造固态电池一直存在一定的难度,迄今为止尚未真正投入生产。但是,随着3D打印技术的发展,它有望改变这种状况,帮助生产下一代电池。

经过多年的发展,无论是设备还是材料,已有多家公司从实验室走向生产车间,将3D打印电池推向市场。在国外,像美国Sakuu Corporation、德国Blackstone Technology、美国6K、英国photocentric等公司已经开始进军这个领域。而在国内,也有像高能数造(西安)技术有限公司这样的企业在积极探索3D打印电池技术的应用。

根据3D科学谷的市场观察，国内方面，此前，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅与副研究员郑双好团队，开发了可形成三维导电网络的电极油墨与高离子电导率的电解质油墨，显著提高了3D打印高载量微电极中的电子和离子传输效率，研制出了高容量、高倍率柔性化钠离子微型电池。研究团队通过3D打印构建出高面积比容量、高倍率平面钠离子微型电池。他们通过制备具有适当粘度和流变特性的3D打印电极油墨，3D打印厚电极（厚度可达1200μm）具有三维多孔导电框架结构，促进了离子传输动力学速率，降低了厚电极中的电子传输距离，有效提高了钠离子微型电池的电化学性能。该工作展现了3D打印高性能平面微型电池在可穿戴和便携式微电子领域的应用潜力。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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以下文章来源于极端制造 IJEM ，作者Editorial Office

3D打印，作为一种增材制造技术，由于其出色的制造灵活性、几何可设计性、低成本和环保性，被广泛应用于开发纳米尺度到宏观尺度各种电化学能量存储设备（EESD）（例如，电池、超级电容器）。现有研究报告了3D打印关键材料在能量存储设备中的使用。由于离子/电子传输能力和快速动力学得到改善，这些材料表现出卓越的电化学性能，包括高能量密度和倍率能力。

然而,3D打印关键材料在电化学能量存储设备的结构设计和应用，尤其是可充电电池领域的最新综述报道非常有限。对于新兴的各类储能装置与设备而言，结合和发展新技术、新材料对于推动各类电化学能量存储设备快速应用至关重要。

近期，南方科技大学机械与能源工程系、碳中和能源研究院赵天寿院士和曾林副教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《3D打印可充电电池的关键材料：从材料、设计和优化策略到应用》的综述。本期谷.专栏将对该综述文章的主要内容进行介绍。

论文链接：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/acf172

 文章亮点

提供了利用3D打印技术制造各种可充电电池的最新进展；

概述了制造电化学能量存储设备（EESD）过程中主要3D打印方法的典型特征，包括设计原则、材料选择性和优化策略；

总结和讨论了可充电电池的3D打印关键材料，包括负极、正极、电解质、隔膜和3D集流体；

展望了开发可充电电池的3D打印关键材料所面临的挑战和未来研究方向。

 研究背景

可再生燃料（如风能、太阳能和水力发电）在当前的生态友好型能源格局中至关重要。因为能源需求不断增加，化石燃料的消耗逐渐减少。作为电化学能量存储设备（EESD）的示例，许多电池和多种类型的超级电容器显示出可观的能量和功率密度、出色的倍率性能和长时间的循环寿命。由于可储存和供应电能在各种形式、容量和功率密度下具备较大的发展空间，

可充电电池受到了广泛关注并得到了进一步的研究。为了提高电池的电化学性能、降低成本并扩展其用途，人们已经进行了大量研究，以开发新的可打印材料、电解质、电池架构和独特的生产技术。然而，电化学活性物质在通常的电池生产过程中可以被涂覆在二维（2D）电流收集器上，例如锂离子电池（LIBs）的传统平面电极。这种策略可能会产生较长的离子传输通道和较小的界面表面活性区域，从而可能对电化学性能产生负面影响。特别是制造较厚的电极以显著增加材料的负载，同时保持快速的离子扩散，以实现高能量密度和面积容量。

再者，还需要一体化电池（包括阳极、阴极和电解质），而目前的电池构造过程无法实现这一目标。此外，制备具有增大表面积的3D多孔结构可以加速电极反应速率和离子传输，同时，在紧凑型电池系统中有效利用有限空间可以导致较短的离子扩散路径、较低的界面电阻和电荷传输电阻。因此，通过控制和可制造的技术创建具有不同孔径大小3D结构的不同类型电极极为重要且仍然是一个重大挑战。

增材制造（AM）是一种工业制造过程，通过从预先设计的计算机绘图和程序直接堆叠活性材料来制造3D结构。这种技术通常称为3D打印（3DP），是一种独特的制造方法，可以以比传统加工技术更低的成本构建复杂的结构。与传统的电池方法相比，3D打印具有许多显著的优势：

• 首先，可以实现任何所需的形状以构建复杂的3D结构；
• 其次，电极的形状和厚度可以被特别调节以获得可观的面积和体积密度；
• 第三，可以通过直接3D打印聚合物或复合打印墨水来合成具有高结构稳定性和安全操作的固态电解质（SSE）；更低的制造成本和环保性使其应用更加广泛和普遍。
• 此外，3D打印可以大幅减少不必要的材料浪费，由于制造过程较为简单，可能会提高效率。总的来说，3DP为具有独特结构和出色性能的3D结构电池原型制造打开了新的大门。因此，本文中曾林副教授等人对3D打印可充电二次电池的关键材料和新设计的最新进展进行了综述（图1）。

图1 3D打印技术与电化学能量存储设备中的关键组件，经许可转载，版权所有 [26-32]。

 研究进展

综合3D打印技术与新型储能技术，作者全面综述了关于3D打印可充电二次电池关键材料和新设计的最新进展；深入研究了可充电电池中的多种3D打印关键材料，包括阴极、阳极、电解质/隔膜和3D集流体。同时，作者对3D打印技术在电极材料、结构设计和反应机制中的应用进行了详细的探讨。最后，作者总结3D打印在可充电二次电池领域的挑战和未来前景。

图2 (a)3D打印技术、结构和EESD材料的时间线：(b) 2013年至2022年3D打印和3D打印电池的出版物和趋势（来自Web of Science）。

3D打印技术在制造电化学能量存储设备方面展示了显著的潜力。通过分析“Web of Science”数据库中的出版物以及3D打印技术在电池中的应用情况，可以看出3D打印技术的日益普及，特别是在新兴电池类型中。可充电二次电池，包括镍镉电池、铅酸电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池和液流电池，由于能够进行反复的充放电循环而占据了电池市场的主导地位。设计和制造3D架构用于关键组件，包括电极（正极和负极）、隔膜/电解质和集流体，已经成为优化结构和提高电池性能的有效方法。已经证明，在可充电电池中利用3D打印方法可以增强这些关键组件的基本能力，进而决定电池的整体性能，如能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。因此，作者从3D打印技术的分类、二次电池的细分领域、3D打印正极材料、3D打印负极材料、3D打印电解质、3D打印集流体以及3D打印微机电系统等方面展开综述，旨在提供一个系统、全面的体系，以推动3D打印制造技术在新能源二次电池方向实用化。

3D打印技术丰富多样，是增材制造技术中重要的分支，将3D打印技术与新能源器件结合是丰富和发展新能源的契机，通过对多样化的打印技术的深入了解和掌握，才能实现新能源器件与性能的巨大提升。

图3 3D打印技术的分类包括：(a) 粘结喷射，(b) 光聚合，(c) 板材层压，(d) 粉床熔融，(e) 定向能量沉积，(f) 材料挤出，和 (g) 材料喷射。

3D打印所获得结构丰富多样，常见的几种结构包含网格结构、交错结构、蛇形结构、纤维结构和分层八面体结构。

图4 典型的电极3D打印架构示意图如下：(a) 网格结构，已获得许可：2023年，Elsevier；(b) 交错结构，已获得许可：2016年，John Wiley and Sons；(c) 蛇形结构，已获得许可：2023年，Elsevier；(d) 纤维结构，已获得许可：2017年，John Wiley and Sons；(e) 分层八面体结构，已获得许可：2018年，Royal Society of Chemistry。

本文重点围绕3D打印关键材料的可打印组件部件，包括阴极、阳极和电解质，并用于先进的可充电电池。

图5 关键材料的示意图和可打印组件列表，包括阴极、阳极和电解质，用于先进的可充电电池。

高面容量正极一直都是研究的重点，设计和制备3D LTO（锂钛酸锂）、LFP（磷酸铁锂）等正极在提升电池容量、改善倍率性能方面极为重要，通过特殊的结构设计与快速高效的制备工艺，协同提升电池正极整体性能。

图6 (a) 制备3D LTO（钛酸锂）和LFP（磷酸铁锂）复合阴极的示意图。(b-e) 电极的数字和扫描电子显微镜（SEM）图像、半电池电压和LTO-LFP电极的面积容量。(f) 利用3D打印电极制备电池的示意图。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons。

3D打印技术在新兴的水系电池方向也崭露头角，通过优化3D打印构筑非平面型Mn-基正极、V-基正极以及3D锌负极，一方面提升了锌电池结构的多变性，同时结合各项应力分析得出3D锌基关键材料更加优异的结构稳定性，为柔性器件体系提升提供思路。

图7 (a) 3D打印电池的示意图以及CNT@MnO2的SEM图像。(b) 多喷嘴打印系统的照片。(c) 利用非平面3D打印制造符合形状的ZIBs的示意图。(d) 不同3D基板上非平面3D打印的阴极的照片。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons。

3D打印全电池是制造与能源结合的重要目标，当下的众多打印技术只能实现电池关键构建的部件之一的打印，因此实现全电池一体化打印对于降低打印成本、提升电池制造效率和优化全电池性能十分关键。

图8 (a) 不同3D打印电极的示意图和模型；(b) 3D电池的结构设计；(c) 整体视图。(d) 制备rGO-AgNWs-LTO电池的示意图；(e) 机理分析。已获得许可：2023年，Royal Society of Chemistry和Elsevier。

固态电池是解决液态电池体系中枝晶问题、腐蚀问题的重要策略之一，通过3D打印技术可以获得不同类型的电解质，包含无机陶瓷电解质、聚合物电解质以及复合型电解质，对优化电池界面和提升电池寿命有利。

图9 3D打印技术在混合电解质中的应用。(a) 典型的DIW过程，(b) 获得的不同电解质（多孔PVDF、块状和多孔Al2O3/PVDF混合电解质），和 (c) 相应的电池性能。(d) SLA过程和 (e) 不同的打印混合微结构，包括立方体、gyroidal、菱形和自旋结构。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons和Royal Society of Chemistry。

3D集流体较商业二维集流体展示出高粗糙度、高比表，高孔隙度，对于正负极材料均能实现较高的面容量以及倍率性能，尤其是在金属电池负极方面，3D集流体可以调控金属沉积局部电流密度，均匀化电场分布，从而实现更加稳定的沉积/剥离效果。

图10 通过DLP制备的3D集流体。(a) 用于打印格子结构的典型DLP过程，和 (b) 相应的循环性能。(c) 用于打印3D柱状宿主和3D管状宿主的DLP过程。(d) 在不同宿主配置上的模拟电化学沉积，和 (e) 实验性电池性能。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons和Elsevier。

微机电系统，也称为微系统或微型机器，是一种可以以毫米或更小的单位测量的先进设备。其内部结构通常大小从微米到纳米不等，使其成为独立的智能系统。通过3D打印技术制备高精密部件是3D打印技术的高精尖应用之一。

图11 (a) 结合3D打印和挑选-放置功能来制造3D微机电系统（MEMS）器件。(b) 3D打印MEMS开关的概念和打印过程。(c) 3D微型电池的示意图和图像，以及 (d) 3D打印结构的SEM和光学图像。已获得许可：2023年，John Wiley and Sons和Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。

 未来展望

先进的3D打印技术在电化学能量存储设备（EESD）方面提供了显著的潜力，特别是在设计和打印3D电极、柔性电极和可充电二次电池的全电池方面。如作者所述，使用3D打印来构建各种类型的电池（锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、金属电池）具有高能量和功率密度，代表了一项大胆而有前景的创新。

然而，尽管3D打印在电化学能量存储设备（EESD）中具有众多优点和巨大潜力，但仍需要解决一些障碍和挑战，以进一步发展3D打印技术并促进其实际应用。首先，商业化的3D打印机目前仅限于单个单元使用，只能生产单个或少数电池组件，导致制造过程时间较长。为了提高整体电池性能，需要集成多种功能材料，而不是单个组件。因此，分解3D打印设备的功能，改进每个子系统（成型室系统、三轴运动系统、材料输送系统、数控系统），并开发集成的打印平台至关重要。其次，仅有少量可打印的活性材料，特别是用于EESD的，适用于可充电电池的墨水。传统的惰性材料广泛用于3D打印，但为了实现最佳电化学性能，必须开发新型的电化学活性材料。此外，墨水通常需要各种添加剂来微调3D打印电极的流变性，因此需要进一步研究用于3D打印可充电电池的多功能添加剂。第三，纳米级打印精度以及在低湿度、低氧环境中运行的打印技术和设备的发展对于电化学能量存储和转化系统/设备至关重要。第四，了解3D设计结构与离子传输机制之间的关系对于提高打印电池性能至关重要。在3D多孔结构中电解质的润湿性以及在厚电极中的离子传输速率等因素可以进一步优化，以在极端工作条件下提高功率密度。此外，选择最佳的制造方法、工艺参数和结构参数对电池的容量和功率产生显著影响。因此，有必要全面了解电化学性能与结构设计之间的相互作用。最后，为了推进商业应用，必须考虑实际生产因素，如制造成本、产品的一致性（包括结构和性能的稳定性）以及潜在的应用场景和市场规模。3D打印设备和可打印材料的成本是商业可行性的关键因素，而设施和人员等方面的考虑也不容忽视。此外，必须显著提高动力电池产品的安全性能，以展示具有吸引力的技术优势和商业价值，特别是在能量密度较高且制造成本较低的应用中。

尽管存在开发3D打印可充电电池所面临的挑战和缺点，但通过不断推进高效、低成本、高性能和多样化的3D打印技术，3D打印将成为未来制造业不可或缺的一部分，弥合产业和基础研究之间的差距。

论文引用信息：

Mu Y B, Chu Y Q, Pan L M, Wu B K, Zou L F, Han M S, Zhao T S, Zeng L. 2023. 3D printing critical materials for rechargeable batteries: from materials, design and optimization strategies to applications. Int. J. Extrem. Manuf. 5 042008.

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