探討！3D打印電池為移動(dòng)電子設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來哪些可能性？
魔猴君 行業(yè)資訊 1868天前
能量存儲(chǔ)是移動(dòng)電子設(shè)備不可或缺的一部分。隨著移動(dòng)電子設(shè)備越來越小，功能的逐漸增強(qiáng)，移動(dòng)電子設(shè)備對(duì)電池的需求也在不斷增長。
目前，移動(dòng)電子設(shè)備制造商仍需根據(jù)市售電池的大小和形狀來設(shè)計(jì)其設(shè)備，電池大多數(shù)呈現(xiàn)圓柱形或矩形形狀，這些電池占據(jù)了現(xiàn)代電子設(shè)備的大部分空間，限制了移動(dòng)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)自由度，尤其是對(duì)于下一代柔性電子設(shè)備而言，電池的限制已成為一種設(shè)計(jì)問題。
3D打印技術(shù)在電池制造中的應(yīng)用，有望解決這一問題，制造出“任意”形狀的電池和超級(jí)電容器。不僅如此，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還將能夠提升電池的電化學(xué)性能。Advanced Functional Materials 期刊的評(píng)論文章- “Additive Manufacturing of Batteries/電池的增材制造”概述了通過不同類型的3D打印技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的電池，并對(duì)3D打印電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中仍存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。
Electrolyte Materials印刷電池技術(shù)、電極、電解質(zhì)材料
來源：Wiley-VCH Verlag & nanowerk.
解鎖移動(dòng)電子設(shè)備設(shè)計(jì)自由度
論文討論了每種3D打印方法的工作原理、打印過程、優(yōu)點(diǎn)和局限性，并重點(diǎn)介紹了打印電池的電極和電解質(zhì)的打印材料。
制造電池的主要3D打印技術(shù)包括：立體光固化（SLA），模板沉積（template-assisted electrodeposition-based 3D printing，TAE），噴墨打?。?/span>inkjet printing，IJP），直接墨水書寫（ direct ink writing，DIW），熔融沉積成形（FDM）和氣溶膠噴射（ aerosol jet printing，AJP）。材料包括印刷電極材料石墨烯、碳納米管、碳納米纖維和LTO / LFP，以及電解質(zhì)材料。
3D打印作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，通過對(duì)相變和反應(yīng)性材料以及溶劑型油墨進(jìn)行數(shù)字化控制的沉積,制造復(fù)雜的3D對(duì)象。
nanowerk3D打印微型電池
3D打印電極交錯(cuò)堆疊創(chuàng)建出沙粒大小的陽極和陰極
來源：nanowerk
在電池制造方面，3D打印與常規(guī)電池制造技術(shù)相比具有多個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：
1）能夠制造所需的復(fù)雜架構(gòu)；
2）精確控制電極的形狀和厚度；
3）印刷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作安全的固態(tài)電解質(zhì)；
4）具有低成本，環(huán)境友好和易于操作的潛力；
5）通過直接集成電池和其他電子設(shè)備，具有消除設(shè)備組裝和包裝步驟的可能性。
這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于未來的電池設(shè)計(jì)很重要，3D打印能夠制造出具有更大表面積和更高面負(fù)載密度的新型3D架構(gòu)電極，在離子傳輸過程中提供更短的擴(kuò)散路徑和更小的電阻，從而提高電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打印可以大大減少材料浪費(fèi)，并可以加快生產(chǎn)速度?？傮w而言，3D打印為快速制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高性能的3D結(jié)構(gòu)電池提供了新途徑。
考慮到制備條件、材料和工藝之間的兼容性，并非所有3D打印技術(shù)和當(dāng)前電池材料都適合于制造印刷電池，論文對(duì)用于印刷電池的不同3D打印技術(shù)做了定性比較（如下圖）。
printing material不同電池3D打印技術(shù)的比較
來源：Wiley-VCH Verlag & nanowerk
當(dāng)前，鈦酸鋰（LTO）和磷酸鐵鋰（LFP）是3D打印電池中最常用的陽極和陰極材料，具有最小的體積膨脹，高倍率性能，高穩(wěn)定性和安全性。碳納米材料是3D打印電池中使用的電極材料的另一個(gè)有前途的材料組。已還原的氧化石墨烯和石墨烯已用于3D打印超快超級(jí)電容器。碳納米管和碳納米纖維由于具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，較高的化學(xué)穩(wěn)定性，較大的比表面積以及出色的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，也是非常受歡迎的印刷油墨材料。
論文還討論了電解質(zhì)材料。電解質(zhì)緊挨著電極，是電池中最重要的成分，電解質(zhì)充當(dāng)使電池導(dǎo)電的催化劑，通過促進(jìn)離子在充電時(shí)從陰極到陽極的移動(dòng)以及在放電時(shí)反向的移動(dòng)。電解質(zhì)在電池的電化學(xué)性能，循環(huán)壽命和安全性中起著決定性的作用。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，電池的電解質(zhì)也可以直接打印，從而減少制造流程，制造時(shí)間和制造成本。
論文同時(shí)討論了3D打印電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。盡管在制造3D打印電池方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但是在將其廣泛用于商業(yè)用途之前，仍然需要解決許多挑戰(zhàn)。例如：目前只有少數(shù)可印刷材料，尤其是可用作3D打印電池的活性材料墨水。同樣，當(dāng)前有關(guān)3D打印電池的大多數(shù)研究都集中在電極和電解質(zhì)的材料上，還極少有人對(duì)集電器這一重要的電池組件進(jìn)行3D打印制造的研究。此外，如果完全通過3D打印技術(shù)制造電池，每個(gè)打印組件之間的兼容性存在巨大挑戰(zhàn)
Review
正如本文前言所述，目前的電池技術(shù)限制了移動(dòng)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)自由度，而3D打印技術(shù)的的應(yīng)用為電子設(shè)備設(shè)計(jì)打破電池形狀的制約提供了新的可能性。3D打印電池技術(shù)的進(jìn)展與突破或?qū)⒋龠M(jìn)微型化的移動(dòng)電子設(shè)備、隨形化穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)迭代。
Ceramics深圳大學(xué)增材制造研究所3D打印鋰電池電極研究
來源：深圳大學(xué)陳張偉教授@TCT 深圳展論壇
根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場(chǎng)觀察，我國研究機(jī)構(gòu)也在開展3D打印電池技術(shù)的應(yīng)用研究。例如，深圳大學(xué)增材制造研究對(duì)低溫直寫3D打印制造鋰電池電極的制造進(jìn)行了研究，3D打印LiFePO4正極與Li4Ti5O12負(fù)極，未來可應(yīng)用于助聽器、電子手環(huán)等終端。
來源：3D科學(xué)谷
