通過多種不同技術3D打印電池技術解析

來源：電子工程3D打印  

導讀：能量存儲是移動電子產(chǎn)品必不可少的一部分,，對于尺寸小而儲蓄能量大的電池一直是市場所追求的。這些年來,，大量的工作都集中于開發(fā)電極材料,，電解質(zhì)、胞體結構及新的制造方法,，目的在于提高電池的電化學性能,，減少制造成本及擴展應用領域。

同時,，3D打印正在改變我們的世界,，且這項技術發(fā)展的非常快,，很快變成下一代3D打印能量結構的基礎,，幾乎任意形狀的電池和超級電容可以被打印出來。直到現(xiàn)在,，制造商不得不根據(jù)商業(yè)電池的形狀和尺寸來設計他們的電子產(chǎn)品,，而且電池占據(jù)了現(xiàn)代電子產(chǎn)品大部分空間。大多數(shù)電池都是圓柱或者四方體的形狀,，被優(yōu)化成紐扣狀或者袋式,。因此當制造商在設計產(chǎn)品過程中，他們必須為電池預留一定的尺寸和形狀,，這樣可能會浪費空間和限制設計想法,。對于下一代柔性電子而言將會面對越來越多這樣的設計問題。

最近在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表的“Additive Manufacturing of Batteries”對于通過不同技術3D打印電池作出了全面的概述,，包括了基于光刻技術的3D打�,。⊿LA）、基于模板輔助電沉積的3D打印,、噴墨打印,、直寫技術、熔融沉積及氣溶膠噴射技術等,。

3D打印電池概覽（電極材料,、電解質(zhì)材料、打印技術）

作者同樣針對每種打印技術討論了其工作原理,、打印工藝,、優(yōu)勢及局限性，并強調(diào)了打印電池的電極材料及電解質(zhì)材料,。作為一項先進的制造技術,，3D打印已經(jīng)越來越多地被應用于制造復雜物體，通過數(shù)字化控制沉積相變材料,、活化材料及基于溶劑的油墨,。制造方法通常是通過設計三維虛擬模型,，應用專用軟件將三維模型切片成為二維截面。通過后續(xù)打印二維截面圖形,，層層堆積，一個完整的3D打印物體最終被制造出來,。

3D打印微電池

這張圖片向我們展示了交錯堆積的電極,，通過3D打印一層接一層來創(chuàng)建電池的陽極及陰極，這個電池的尺寸只有一粒沙子那么大,。具體細節(jié)可在《3D Printing of InterdigitatedLi-Ion Microbattery Architectures》文章中查看,。

有好幾種3D打印技術已經(jīng)被開發(fā)并已經(jīng)被廣泛應用。1）材料擠出,；2）粉床熔融,；3）光固化；4）材料噴射,；5）噴射粘結劑,；6）片體層壓；7）直接能量沉積,。

當應用于電池制造時,，對比傳統(tǒng)電池制造技術3D打印具備幾項非常重要的優(yōu)勢：1）可以制造任意復雜結構；2）精確控制形狀和電極厚度,；3）打印固態(tài)電解質(zhì)具有更高的結構穩(wěn)定性及更安全的操作性,。4）潛在的低成本、環(huán)境友好性及易操作性,；5）可能會減少通過集成電池和其他電子器件組裝和封裝的環(huán)節(jié),。

對于未來設計的重要性在于3D打印可以制造新穎的3D結構電極，具備更大的表面和更高的裝填密度,，可以為離子傳輸提供更短擴散通道和更小的阻抗以提高能量密度和功率密度,。至于持續(xù)性和環(huán)境影響方面，3D打印可以很大程度上減少材料浪費及加快制造進程,，原因在于其相對簡單的制造工藝,。

總得來說，3D打印為高性能及復雜形狀的3D結構電池的制造開創(chuàng)了新的途徑,。盡管考慮到準備條件,、材料以及工藝的兼容性問題，并不是所有的3D打印技術和現(xiàn)有的傳統(tǒng)材料適合于3D打印電池,。文章中通過大量對比3D打印電池技術方面優(yōu)劣,，具體見下圖所示。

基于電池打印,，不同3D打印技術的對比

目前鈦酸鋰和磷酸鐵鋰是3D打印電池中最常用的陽極和陰極材料,，其展示出最小的體積膨脹,、大電流能力、高穩(wěn)定性及安全性,。

碳納米材料對于3D打印電池的電極材料是值得期待的一組材料,。例如還原性氧化石墨烯和石墨烯已經(jīng)應用于3D打印極速超級電容器。碳納米管和納米纖維已經(jīng)是非常流行的打印材料,，歸因于它們高機械強度,、高化學穩(wěn)定性及大比表面積，及其優(yōu)異的電/熱性能,。

緊接著電極材料,，電解質(zhì)材料是電池最重要的部分，它作為催化劑可以使離子在充電時從陰極到陽極的運動,，放電時向相反的方向運動,。電解質(zhì)在電池的電化學性能、充放電次數(shù),、安全性方面扮演著決定性的角色,。

在持續(xù)發(fā)展的3D打印技術中，電池的電解質(zhì)可以直接被打印出來減少制造工序,，制造時間及生產(chǎn)成本,。

總之，盡管在3D打印電池方面已經(jīng)取得了很多進步,，但是仍然面臨很多挑戰(zhàn)需要在其應用于商業(yè)用途被解決,。這些挑戰(zhàn)包括現(xiàn)用的可打印材料很少，尤其是可以用于3D打印電池的活性材料,。而且,，大多數(shù)現(xiàn)有針對3D打印電池主要集中于電極材料和電解質(zhì)。然而盡管其作為電池的重要組成部分,，對于現(xiàn)有的集電極材料3D打印性卻很少有人調(diào)研過,。此外，對于全尺寸的3D打印電池,，每個部件打印油墨的兼容性仍然是個很大的挑戰(zhàn),。我們期望隨著3D打印技術、材料的持續(xù)發(fā)展,，3D打印電池的耐久性,、安全性、及高能量/功率密度,，將會使其在很多領域得到應用,。



由西安瑞特三維科技有限公司研發(fā)的雙微筆直寫3D打印設備（型號：JD200Pro），可以實現(xiàn)兩種粘態(tài)材料的在線同時打印（直寫+直寫）,，此外其微筆頭可以與標準的FDM打印頭進行互換（FDM+直寫）,，非常有利于3D打印電池的研發(fā)制造。歡迎有感興趣的朋友聯(lián)系咨詢~

JD200Pro型設備

下圖是文章中分別采用微筆直寫技術和FDM技術制造電池的案例,。

微筆直寫打印電池（來源于文章：Additive Manufacturing of Batteries,，如有侵權聯(lián)系刪除）

FDM打印電池（來源于文章：Additive Manufacturing of Batteries，如有侵權聯(lián)系刪除）

備注：本文正文部分為的Michael Berger文章的譯文,。