固态电池导入3D打印技术 可定制化生产、提高能量密度

应用3D打印技术来制作二次电池，源自于2010年代上半，美国哈佛大学(Harvard University)使用墨水状的正极与负极材料，以印刷技术制造出3D的磷酸铁锂(LFP)锂离子二次电池。之后美国、欧洲、国内、日本等都开始研发3D打印的锂离子二次电池制造技术。

Nikkei Xtech、Fabcross for Engineer等报导，应用3D打印技术来制作电池或电池关键元件，可让电极与电解质等的结构设计自由度更高，也便于让电池内的多层元件结构更容易，因而提升能量密度约20~70%。这些优点尤其适用于全固态电池的制作。

此外，3D打印方式还有降低制作成本、同时适合大规模量产或少量多样的定制化生产方式，以及3D电极放电效率提高等优点。

Sakuu目标打造3D打印全固态电池

美国新创Sakuu(原名KeraCel)，是3D打印电池的制造公司，也是3D打印设备的生产商。Sakuu在2021年筹资6,200万美元，用于2022年制作出可商用化的3D打印固态电池(SSB)，这将是第一代商用产品。

Sakuu已获得日本武藏精密工业(Musashi Seimitsu Industry)融资，双方也已签约，建立战略合作夥伴关系。武藏精密的大股东是日本汽车与摩托车制造商本田(Honda)。武藏精密正加快研发车辆电动化、自动驾驶等次时代技术，对于发展中的3D打印电池制造技术也充满兴趣。3D打印电池预计将首先用于电动摩托车与一部分的电动车。

Sakuu正设法把全球第一个多材料(Multi-material)与多行程(Multi-Process)3D积层制造平台商用化，且正透过3D打印技术，制作第二代商用化的全固态电池(ASSB)产品，以及其他主动装置(Active device)。

Sakuu在2020年，制作出全固态电池的初期展示产品，这是全球首次成功以印列方式，制作出全陶瓷的固态电池。2021年下半又以3D打印技术开发出电容量3Ah的金属锂负极电池，体积能量密度600Wh/L，重量能量密度220Wh/kg，为30层结构，并制作出样本出货。

2022年2月为了效能实验，在没有使用3D打印技术的情况下，制作出体积能量密度800Wh/L的全固态金属锂负极电池，体积能量密度，已可与铅蓄电池大致相同，并超过现行锂离子电池(约700~800Wh/L)。而且充放电次数200次后，电容量仍可维持97%，已达到民生用途使用的水准。

第二代的商用化产品，也就是3D打印的全固态电池，体积能量密度预计将超过1,200Wh/L，目标2023年上半投入量产，加快引进到电动车(EV)与其他电机。

Sakuu透过独家的黏合剂与粉末床(Powder Bed)3D打印结合技术，目前已开发出多材料系统平台Sakuu AM Platform，可在同一层内加工树脂、陶瓷与金属等多个材料。这种平台制作的3D打印产品，包括陶瓷层强度提升的蓄电元件，以及易于大规模量产的单层电池芯，同时也可改善电池界面。

Sakuu的3D打印平台由于容易变更设定，因此能在同一天生产四轮车使用的电池与二轮摩托车使用的电池。创始人Robert Bagheri表示，Sakuu的3D打印平台制造的电池，使用的是可回收的陶瓷与金属等材料，可降低环境负担。

Sakuu目前已获得3D打印固态电池的量产合约，客户包括电动车制造商。另外也正设法进军飞机、家用、医疗用与工业用储能设备、微型反应器(Microreactor)、民生消费电子装置等新市场。

Blackstone Resources引进3D打印　量产密度更高的LFP液态电池

瑞士Blackstone Resources及其德国子公司Blackstone Technology在2021年4月宣布，引进3D打印技术，制作出固态电池芯的原型(Prototype of the printed solid-state cell)，同时也在开发液态电解质电池的3D打印制作技术。

2021年12月，Blackstone Resources集团以3D打印技术，开始量产电容量50Ah的LFP液态锂离子电池。这批电池的负极采用石墨，体积能量密度为220Wh/L，比现行的LFP电池的体积能量密度160~200Wh/L更高。若以重量能量密度来计算，也比现行LFP电池高出20%。

Blackstone Resources集团预计3D打印LFP电池的年产量，一开始是50MWh规模，2022年把产量提升为500MWh，并打算在不久之后，再把产能扩充到10GWh。至于以3D打印制作全固态电池的技术，Blackstone Resources集团研发的是钠离子全固态二次电池(NIB)，已完成初步试作，预计2025年制作出完成品并投入量产。

3D打印的钠离子全固态电池，可比液态电解质电池芯的体积能量密度高出30~70%，以重量能量密度计算可高出20~40%，材料节约一半，材料成本降下20%，每kWh则可节省20欧元(21.5美元)。此外，制造时耗能减少23%，外观形状自由度也更高。

日本东北大学以3D打印制造固态锂离子电池

日本东北大学(Tohoku University)的多元物质科学研究所，在2021年下半开发出锂离子电导性离子液态电解质的3D打印技术，并透过此技术开发出常温下以3D打印制造固态锂离子电池的方式。

该研究团队曾在2018年，以不容易燃烧的锂离子电导性离子液态电解质，开发出类固态里离子电池，在针刺实验中也不会引发燃烧，同时也持续研究3D打印技术在蓄电元件的应用。在2021年4月，宣布已完成电化学电容器的3D打印制造方式。

目前团队研究焦点在于类固态电解质材料。以锂离子电导性离子液态电解质、二氧化矽纳米粒子，制作出类固态电解质材料，再混合紫外线硬化塑胶，就开发出光学建模方式的3D打印电解质凝胶状材料。这个3D打印制成的电解质凝胶状材料，可让类固态电解质具备锂离子的高电导性、抗抗挥发性，且不易燃烧。

透过光学式3D打印，可达到更高速且更优良的塑形效果。3D打印制程中，使用这种电解质凝胶状材料，再加上钴酸锂正极凝胶状材料、钛酸锂负极凝胶状材料，已成功制作出类固态锂离子电池，可稳定充放电超过100次，制造时间也只需2小时。

这项技术与材料，可在常温下3D打印，制作出聚合物等热分解性软性材料，并应用在适合生体的微型电池与可挠性装置。由于只需涂上材料，用紫外线照射的光学方式，就可制造电池，不需高温加热，因此可以大幅削减制作成本。而且电解质不会裂开，即使组成的元件膨胀或收缩，因其柔软性所以仍能密切贴合。

另外，透过3D打印的设定，电池大小与形状等外观的自由度高，能够因应穿戴式装置、车用电池等广泛需求。不过目前已开发的电池，仍要面对电解质的锂离子的移动还不够顺利、电导性不足的问题，这会导致电池无法在瞬间释放出更大的能量。

目前3D打印电池已可驱动车辆，最高时速30公里，接下来要设法提升输出功率，才能搭载于纯电动车，为此也正研发高能量密度的正极材料。

3D打印技术助攻全固态电池

3D打印技术在液态、类固态、全固态电池的应用正在发展中，而半固态、类固态电池也将朝向全固态电池发展，彭博新能源财经(BNEF)认为，全固态电池商品化量产应在2025年以后，应用到纯电动车可能在2028年，到2033年全固态电池成本将与其他锂离子电池接近。

富士经济(Fuji Keizai)估计，目前几乎还没有展开的全固态电池市场，到2035年应可达到2.1万亿日圆(165亿美元)，包括车用与其他电机使用。另外也预估，车用电池市场规模在2035年可达到26万亿日圆(2,047亿美元)。届时全固态电池的占比仍然不高。

而全固态电池的普及，需要降低成本、增加效能、提升能量密度等方面的条件成熟，3D打印技术可增加达成目标的可能性。

责任编辑：朱原弘