谷研究 l 3D打印电池为移动电子设备的优化设计带来哪些可能性？

| 3DScienceValley · 2019/11/11

能量存储是移动电子设备不可或缺的一部分。随着移动电子设备越来越小，功能的逐渐增强，移动电子设备对电池的需求也在不断增长。

目前，移动电子设备制造商仍需根据市售电池的大小和形状来设计其设备，电池大多数呈现圆柱形或矩形形状，这些电池占据了现代电子设备的大部分空间，限制了移动电子设备的设计自由度，尤其是对于下一代柔性电子设备而言，电池的限制已成为一种设计问题。

3D打印技术在电池制造中的应用，有望解决这一问题，制造出“任意”形状的电池和超级电容器。不仅如此，3D打印技术的应用还将能够提升电池的电化学性能。Advanced Functional Materials 期刊的评论文章- “Additive Manufacturing of Batteries/电池的增材制造”概述了通过不同类型的3D打印技术所实现的电池，并对3D打印电池产业化应用过程中仍存在的挑战进行了讨论。

印刷电池技术、电极、电解质材料
来源：Wiley-VCH Verlag & nanowerk.

解锁移动电子设备设计自由度

论文讨论了每种3D打印方法的工作原理、打印过程、优点和局限性，并重点介绍了打印电池的电极和电解质的打印材料。

制造电池的主要3D打印技术包括：立体光固化（SLA），模板沉积（template-assisted electrodeposition-based 3D printing，TAE），喷墨打印（inkjet printing，IJP），直接墨水书写（ direct ink writing，DIW），熔融沉积成形（FDM）和气溶胶喷射（ aerosol jet printing，AJP）。材料包括印刷电极材料石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和LTO / LFP，以及电解质材料。

3D打印作为一种先进的制造技术，通过对相变和反应性材料以及溶剂型油墨进行数字化控制的沉积,制造复杂的3D对象。

3D打印微型电池
3D打印电极交错堆叠创建出沙粒大小的阳极和阴极
来源：nanowerk

在电池制造方面，3D打印与常规电池制造技术相比具有多个显著优势：

1）能够制造所需的复杂架构；

2）精确控制电极的形状和厚度；

3）印刷结构稳定，操作安全的固态电解质；

4）具有低成本，环境友好和易于操作的潜力；

5）通过直接集成电池和其他电子设备，具有消除设备组装和包装步骤的可能性。

这些优势对于未来的电池设计很重要，3D打印能够制造出具有更大表面积和更高面负载密度的新型3D架构电极，在离子传输过程中提供更短的扩散路径和更小的电阻，从而提高电池能量密度和功率密度。此外，文章提出由于采用增材制造方式，3D打印可以大大减少材料浪费，并可以加快生产速度。总体而言，3D打印为快速制造具有复杂结构和高性能的3D结构电池提供了新途径。

考虑到制备条件、材料和工艺之间的兼容性，并非所有3D打印技术和当前电池材料都适合于制造印刷电池，论文对用于印刷电池的不同3D打印技术做了定性比较（如下图）。

不同电池3D打印技术的比较
来源：Wiley-VCH Verlag & nanowerk

当前，钛酸锂（LTO）和磷酸铁锂（LFP）是3D打印电池中最常用的阳极和阴极材料，具有最小的体积膨胀，高倍率性能，高稳定性和安全性。碳纳米材料是3D打印电池中使用的电极材料的另一个有前途的材料组。已还原的氧化石墨烯和石墨烯已用于3D打印超快超级电容器。碳纳米管和碳纳米纤维由于具有较高的机械强度，较高的化学稳定性，较大的比表面积以及出色的电学和热学性质，也是非常受欢迎的印刷油墨材料。

论文还讨论了电解质材料。电解质紧挨着电极，是电池中最重要的成分，电解质充当使电池导电的催化剂，通过促进离子在充电时从阴极到阳极的移动以及在放电时反向的移动。电解质在电池的电化学性能，循环寿命和安全性中起着决定性的作用。随着3D打印技术的不断发展，电池的电解质也可以直接打印，从而减少制造流程，制造时间和制造成本。

论文同时讨论了3D打印电池技术实现产业化应用所面临的挑战。尽管在制造3D打印电池方面已经取得了很大进展，但是在将其广泛用于商业用途之前，仍然需要解决许多挑战。例如：目前只有少数可印刷材料，尤其是可用作3D打印电池的活性材料墨水。同样，当前有关3D打印电池的大多数研究都集中在电极和电解质的材料上，还极少有人对集电器这一重要的电池组件进行3D打印制造的研究。此外，如果完全通过3D打印技术制造电池，每个打印组件之间的兼容性存在巨大挑战。

3D科学谷Review

正如本文前言所述，目前的电池技术限制了移动电子设备的设计自由度，而3D打印技术的的应用为电子设备设计打破电池形状的制约提供了新的可能性。3D打印电池技术的进展与突破或将促进微型化的移动电子设备、随形化穿戴设备的设计迭代。

深圳大学增材制造研究所3D打印锂电池电极研究
来源：深圳大学陈张伟教授@TCT 深圳展论坛

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