3D打印電池為移動電子設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計帶來哪些可能性,？

來源：魔猴網(wǎng)

能量存儲是移動電子設(shè)備不可或缺的一部分。隨著移動電子設(shè)備越來越小,，功能的逐漸增強,，移動電子設(shè)備對電池的需求也在不斷增長。目前,，移動電子設(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,，限制了移動電子設(shè)備的設(shè)計自由度,，尤其是對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性能,。Advanced Functional Materials 期刊的評論文章- “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)所實現(xiàn)的電池，并對3D打印電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中仍存在的挑戰(zhàn)進行了討論,。

Electrolyte Materials印刷電池技術(shù),、電極、電解質(zhì)材料

來源：Wiley-VCH Verlag & nanowerk.

解鎖移動電子設(shè)備設(shè)計自由度
論文討論了每種3D打印方法的工作原理,、打印過程,、優(yōu)點和局限性，并重點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）,，噴墨打印（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打印作為一種先進的制造技術(shù),，通過對相變和反應(yīng)性材料以及溶劑型油墨進行數(shù)字化控制的沉積,制造復雜的3D對象。

nanowerk3D打印微型電池

3D打印電極交錯堆疊創(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)相比具有多個顯著優(yōu)勢：
1）能夠制造所需的復雜架構(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)勢對于未來的電池設(shè)計很重要，3D打印能夠制造出具有更大表面積和更高面負載密度的新型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，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)和當前電池材料都適合于制造印刷電池,，論文對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打印超快超級電容器。碳納米管和碳納米纖維由于具有較高的機械強度,，較高的化學穩(wěn)定性,，較大的比表面積以及出色的電學和熱學性質(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)充當使電池導電的催化劑,，通過促進離子在充電時從陰極到陽極的移動以及在放電時反向的移動。電解質(zhì)在電池的電化學性能,，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,，制造時間和制造成本。

論文同時討論了3D打印電池技術(shù)實現(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,，還極少有人對集電器這一重要的電池組件進行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,，每個打印組件之間的兼容性存在巨大挑戰(zhàn)


正如本文前言所述,，目前的電池技術(shù)限制了移動電子設(shè)備的設(shè)計自由度，而3D打印技術(shù)的的應(yīng)用為電子設(shè)備設(shè)計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)的進展與突破或?qū)⒋龠M微型化的移動電子設(shè)備,、隨形化穿戴設(shè)備的設(shè)計迭代。

Ceramics深圳大學增材制造研究所3D打印鋰電池電極研究

來源：深圳大學陳張偉教授@TCT 深圳展論壇

根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察,，我國研究機構(gòu)也在開展3D打印電池技術(shù)的應(yīng)用研究,。例如，深圳大學增材制造研究對低溫直寫3D打印制造鋰電池電極的制造進行了研究,，3D打印LiFePO4正極與Li4Ti5O12負極,，未來可應(yīng)用于助聽器、電子手環(huán)等終端,。