3D打印新能源汽車電池市場潛力達千億元,，能量密度可提升一倍

南極熊導讀：用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)鋰離子,、鈉離子的新能源汽車電池,，具有將能量密度提高一倍，制造成本降低一半的潛力,，普通橋車的續(xù)航可達1500公里,。這是一個千億元級別產(chǎn)值的應用市場。希望引起中國的重視,。

△汽車電池3D打印生產(chǎn)車間

△3D打印固態(tài)電池

在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下,，3D打印電池所展現(xiàn)出的高能量密度、可持續(xù),、輕量化等優(yōu)勢是電動汽車市場迫切需要的,。所以開發(fā)可商業(yè)化、大規(guī)模使用的3D打印電池將成為電動汽車行業(yè)未來的新方向,。南極熊本期文章概述了當下全球3D打印電池在汽車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,，相信這將給我們增材制造以及汽車領(lǐng)域的發(fā)展帶來一些新的啟示。

3D打印固態(tài)電池專家Sakuu聯(lián)手日本Musashi,，推動電動汽車發(fā)展

Sakuu Corporation是一家總部位于美國加利福尼亞州的工業(yè)解決方案提供商,，前身為KeraCel 公司，成立于2016年,。Sakuu的3D打印平臺是一個用于靈活,、經(jīng)濟高效地大量生產(chǎn)復雜功能設(shè)備的多材料、多方法3D打印解決方案,。這使能源行業(yè)內(nèi)的制造商能夠改善成本,、性能和當前固態(tài)電池選件的范圍,。

2019年5月份，Sakuu（也稱Keracel）公司宣稱在生產(chǎn)陶瓷固態(tài)鋰電電池方面取得了最新突破,。同年8月,，日本汽車零部件制造商Musashi Seimitsu Industry宣布與Sakuu建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，目標是加速3D打印固態(tài)電池的發(fā)展,。他們的計劃是首先將該技術(shù)應用于摩托車行業(yè),，然后再去適應更廣泛的汽車行業(yè)。

2021年6月17日,，Sakuu Corporation宣布了三項專利：具有密封陽極結(jié)構(gòu)的混合固態(tài)電池,、能夠創(chuàng)建有源設(shè)備（如微反應器或固態(tài)電池）的增材制造系統(tǒng)，以及電子照相多材料3D打印機,。

△Sakuu AM平臺內(nèi)部,。照片來自Sakuu。

2021年7月28日,，Sakuu Corporation宣布已開發(fā)出一種3Ah鋰固態(tài)電池 (SSB),，性能等同于或優(yōu)于當前的鋰電池。Sakuú一直在開發(fā)第一代SSB電池技術(shù)及旗艦增材制造平臺,，據(jù)稱平臺使用多材料粘合劑噴射工藝,，并于2021年年底投入商業(yè)使用。第一代電池包括30個子電池,，使用鋰金屬和陶瓷隔板,。另外，電池設(shè)計使用當前行業(yè)標準陰極材料（未來或許會使用支持更高電壓的陰極材料）,，可產(chǎn)生高達25%的能量,。

△Sakuu的第一代固態(tài)電池。圖片由Sakuu提供,。

2021年8月22日,， Sakuu公司開始著手于建設(shè)一個新的試驗設(shè)施，用于生產(chǎn)3D打印固態(tài)電池,。據(jù)報道,，這條試驗產(chǎn)線于2021年底完成，投產(chǎn)后每年將能生產(chǎn)高達2.5兆瓦時的固態(tài)電池,。在未來幾年,，它還將作為該公司的多材料3D打印系統(tǒng)"Sakuu AM平臺"的客戶學習中心。工程公司Relevant Industrial和霍尼韋爾將通過提供工程,、工藝設(shè)計和系統(tǒng)集成支持來幫助建立該設(shè)施,。

△Sakuu即將推出的試驗生產(chǎn)線的效果圖。圖片來源于Sakuu公司

Sakuu公司一直致力于3D打印固態(tài)電池的開發(fā)和推廣,。固態(tài)電池與目前主流的傳統(tǒng)鋰電池最大的不同在于電解質(zhì),。傳統(tǒng)鋰電池主要由正負極材料,、電解液和隔膜組成。正負極材料決定了電池的容量,，電解液及隔膜作為傳輸鋰離子的介質(zhì),。而固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)，替代了傳統(tǒng)鋰電池的電解液和隔膜,。與鋰電池相比,，固態(tài)電池更加安全、更高的理論能量密度和更高的體積能量密度,。但是,，固態(tài)電池也有一定的局限性，比如固態(tài)電解質(zhì)導電率低,，不能快速充能,；材料物理接觸會隨時間變差，影響使用壽命,；制備工藝復雜。

△電池結(jié)構(gòu)示意圖

△電池性能對比

Sakuu的增材制造技術(shù)融合了粉末床和噴射材料沉積技術(shù)，并使用多種材料來制造零件。它結(jié)合了陶瓷和金屬以及Sakuu的PoraLyte支撐材料,，消除了部件懸垂的限制,，并能夠創(chuàng)建帶有內(nèi)部通道和腔體的設(shè)備。Sakuu說,，這項技術(shù)較現(xiàn)有產(chǎn)品有著很大的飛躍，能夠制造薄單片層和完美介面，從而生產(chǎn)高能量密度固態(tài)電池（SSB）,。此外，得益于粉末到粉末工藝,，據(jù)說陶瓷和金屬材料的可回收性比傳統(tǒng)方法更容易,，不需要提取石墨，也不需要聚合物,，這意味著減少了垃圾填埋或焚燒,。

△Sakuu電池3D打印使用了多重3D打印技術(shù)

Photocentric成立3D打印電池研究部門，為汽車定制燃料電池

2020年9月15日,， 3D打印機和材料制造商photocentric宣布成立3D打印電池研究部門,，致力于開發(fā)環(huán)保的3D打印電池，并表示會持續(xù)加大投資力度,，優(yōu)化3D打印燃料電池在汽車中的應用,。在開展3D打印汽車電池研究之前，該公司的主要產(chǎn)品是感光樹脂材料,，并擁有專利可見光聚合（VLP）3D打印技術(shù),。據(jù)該公司研發(fā)化學主管Sarah Karmel博士介紹,，通過利用其專利3D打印技術(shù)，他們可以開發(fā)出具有更強儲能能力的定制汽車電池,。

△Photocentric的目標是開發(fā)3D打印電池,，用于特斯拉的Giga工廠內(nèi)，圖片來自Photocentric

Photocentric公司一直認為開發(fā)改進的儲能設(shè)備,，是世界上最重要的環(huán)境問題之一,。目前市面上的傳統(tǒng)電池單元體積大、重量重,，而且沒有針對汽車用途進行優(yōu)化,，這意味著汽車設(shè)計往往由可用性而非適用性決定。為實現(xiàn)汽車電池的低成本,、大規(guī)模制造,，Photocentric已經(jīng)制定了增材制造燃料電池的開發(fā)計劃，試圖將3D打印技術(shù)整合到電池生產(chǎn)過程中,。

2021年5月18日,，photocentric公司宣稱通過光聚合實現(xiàn)對電池電極結(jié)構(gòu)的精確控制，已經(jīng)為新能源汽車和更多的產(chǎn)品打開了新型電池幾何形狀復雜化和電池組輕量化的大門,。該公司3D打印電池的過程與用光聚合工藝相似,，電極是使用專有的光聚合樹脂進行3D打印的，這種樹脂可作為商業(yè)電極粉末和導電添加劑的粘合劑,。然后對生坯打印部件進行清洗和固化,，接著進行脫膠和燒結(jié)，以去除聚合物,，只留下活性電極材料,。Photocentric公司實際上已經(jīng)開發(fā)了一個獨立的3D打印電池系統(tǒng)，部件從打印到清洗和后處理都是自動進行的,，避免了污染或損壞脆弱電極的風險,。
Photocentric公司這項可能對新能源汽車產(chǎn)生影響的3D打印電池項目也與它自身運營中追求可持續(xù)發(fā)展的理念相吻合。該公司的3D打印機依靠可見光而不是紫外光來固化光聚合物部件,，這意味著機器的運行能耗更低,。來自可再生資源的新型環(huán)保材料和回收工作也在進行中。迄今為止,，這家公司所在使用的電極材料包括氧化鈷鋰（LCO）和鈦酸鋰（LTO）,，Karmel表示公司平臺不受限于材料，也可以支持其他既定的電池化學,。Photocentric公司現(xiàn)在的目標是找到能夠提供最佳化學成分和最有用的幾何形狀的行業(yè)合作伙伴,，并在汽車上展示其3D打印電池。

△新能源汽車電池組。照片來源Photocentric

△3D打印電池電極的微觀孔隙

黑石公司開發(fā)3D打印固態(tài)電池

2020年9月23日,，來自瑞士的黑石資源公司（Blackstone Resources AG）宣布在3D打印鋰離子固態(tài)電池方面取得了一系列具有里程碑意義的成績,。同年11月，黑石在德國德貝恩鎮(zhèn)薩克森州的Am Fuchsloch工業(yè)園區(qū)開設(shè)了第一家3D打印電池生產(chǎn)工廠,，配套德國的汽車制造業(yè),，將大量生產(chǎn)用于工業(yè)應用以及電動汽車的下一代電池。更重要的是,，該工廠的運作也代表了3D打印電池工業(yè)化生產(chǎn)的“第一炮”,。

據(jù)悉，黑石首期工廠的生產(chǎn)能力將達到每年0.5 GWh,，到2025年,，電池片的年產(chǎn)能達到3 GWh。這相當于為7.5萬輛叉車供電,，如果達到這一目標,，產(chǎn)量將逐步提高到每年10 GWh。該公司堅信,，它可以大量,、低成本地生產(chǎn)出具有更高能量密度水平的可靠鋰離子電池，其目標是使成本大大低于每千瓦時80歐元,，這將代表存儲技術(shù)的最終突破,。

在2021年4月，黑石德國子公司Blackstone Technology GmbH對外宣稱已成功打印并測試了首款可工作的固態(tài)電池,，并展示了由Blackstone固態(tài)電池供電的LED燈。

△5x5平方厘米的袋式電池,，帶有發(fā)光二極管

在2021年6月21日,，Blackstone Resources AG（SWX：BLS）宣布將子公司Blackstone Technology GmbH的電池業(yè)務擴展到美國市場，通過上市方式籌集額外資金,。目前,，黑石資源股份公司在瑞士證券交易所（Symbol BLS）上市，并已向黑石科技投入巨資,。

黑石的3D打印電池計劃曾獲得歐洲“地平線2020”計劃資助,，在電池密度，充電周期和成本方面均取得了顯著成績,。與使用液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)電池設(shè)計相比,，Blackstone Technology的3D打印工藝具有明顯的優(yōu)勢。綜合來講,，Blackstone的3D打印固態(tài)電池技術(shù),，具備以下優(yōu)點：
1)       3D打印鋰離子電池生產(chǎn)已經(jīng)成熟，且有專利,，在生產(chǎn)過程中可提供最大的靈活性,；
2)       可節(jié)省30％的CAPEX和10％的OPEX,，而采用固態(tài)技術(shù)時，可節(jié)省70％的CAPEX和30％的OPEX,；
3)       世界上第一個3D打印生產(chǎn)工藝,，可以批量生產(chǎn)固態(tài)電池；
4)       可將能量密度提高20％,，使用固態(tài)技術(shù)時可提高100％,；
5)       利用自身資源來縮短供應鏈，并確保長期獲取電池材料,；
6)       通過將干燥過程減少50％,，可將能源消耗降低25％，這是電池組電池最重要的制造成本——占總能源成本的45％至57％,。

△3D打印固態(tài)電池生產(chǎn)工作流程

毫無疑問,，作為3D打印電池行業(yè)的引路人，黑石的3D打印電池技術(shù)將為固態(tài)電池的生產(chǎn)奠定重要基礎(chǔ),。
2021年12月7日,，黑石公司在線上發(fā)布會上宣布首個大規(guī)模3D打印鋰電池工廠將開工生產(chǎn)。據(jù)悉,，Blackstone Technology已將初始目標年產(chǎn)能設(shè)定為500 MWh,，預計將在2022年底前完成目標。盡管尚未確定時間表,，但增長計劃的第二階段目標是每年5GWh,，第三階段最終目標是超過10GWh。

△位于德國Döbeln的新制造工廠,。圖片來自Blackstone Technology,。

△Blackstone Technology的3D打印鋰電池。圖片來自Blackstone Technology,。

2022年3月,，南極熊獲悉，Blackstone Resources宣布,，預計最早于2025年將3D打印的鈉離子電池商業(yè)化,。
Blackstone此前一直主要專注于3D打印鋰離子電池，現(xiàn)在他們已轉(zhuǎn)向鈉離子技術(shù),，這具有幾個優(yōu)勢：
●原材料易獲得
●制造過程環(huán)保
●制造過程更經(jīng)濟
●與傳統(tǒng)制造的電池相比,，能量密度更高
●電池的安全性更高

Blackstone Technology的CEO說：“鈉離子技術(shù)代表了我們已經(jīng)處于下一代 3D 打印電池市場的領(lǐng)先地位，我們很高興再次為清潔能源和未來的碳中和交通做出創(chuàng)新和貢獻,。”

國產(chǎn)3D打印電池技術(shù)企業(yè)交大高能獲百萬級人民幣種子輪融資

2021年5月11日,，動力電池數(shù)字化3D打印解決方案提供商長春交大高能科技有限公司(以下簡稱：交大高能科技)宣布，獲得百萬級人民幣的種子輪融資，投后估值1000萬人民幣,，由交大增智投資并孵化,。

長春交大高能科技有限公司注冊在中韓國際合作示范區(qū)，擁有電極創(chuàng)新設(shè)計和復合材料微納打印等核心技術(shù),，專注于動力電池數(shù)字化3D打印技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化,，面向全球電池制造企業(yè)提供數(shù)字智造整體解決方案，是全球3D打印電池技術(shù)的創(chuàng)導者,。作為全球首批進行3D打印電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化企業(yè),，交大高能創(chuàng)始團隊擁有自主研發(fā)的Top-e電極創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)、3D打印電池技術(shù)和基于3D打印技術(shù)的數(shù)字智造解決方案,，面向全球電池制造企業(yè)提供數(shù)字化3D打印整體解決方案,，通過3D打印這一個步驟來革新現(xiàn)在繁長的動力電池正負極制造環(huán)節(jié)。

交大高能的3D打印電池技術(shù)對動力電池的安全性能有顯著提高,，具有將能量密度提高80%,、制造成本降低50%的潛力，有非常巨大的技術(shù)優(yōu)勢和商業(yè)價值,。交大高能創(chuàng)始人王世明說：“作為全球3D打印電池技術(shù)的創(chuàng)導企業(yè)和動力電池制造過程的變革者,，交大高能未來三年的估值有望達到100億以上。交大高能的愿景是通過數(shù)字智造賦能碳中和事業(yè),�,！�

6K公司和Albemarle合作開發(fā)可持續(xù)鋰電池材料

2022年1月14日，專業(yè)3D打印材料開發(fā)商6K公司與全球化學品公司Albemarle Corporation簽署了一項聯(lián)合開發(fā)協(xié)議,，主要用于生產(chǎn)新型鋰離子電池材料,。這項合作將由6K的UniMelt專利技術(shù)來實現(xiàn)，這是一個用于生產(chǎn)工業(yè)級粉末的可持續(xù)材料生產(chǎn)平臺,。

6K公司的UniMelt系統(tǒng)基于專利微波等離子體工藝運行,，該工藝旨在將銑削、車削和其他回收的廢料轉(zhuǎn)化為可用的3D打印材料,。早在2021年4月,，該公司已經(jīng)將其UniMelt技術(shù)重新用于開發(fā)鋰離子電池材料,，當時它為其能源部門6K Energy建立了一個新的先進中心,。6K指出，如果用一個同等的UniMelt生產(chǎn)設(shè)施取代傳統(tǒng)的16GWh電池陰極生產(chǎn)廠,，可以減少70%的二氧化碳排放,。水的消耗量也可以減少90%，廢水的產(chǎn)生也將完全消除,，同時所需的工廠空間將減少50%,。

△一家3D打印材料生產(chǎn)廠的UniMelt系統(tǒng)。照片來自6K

△位于馬薩諸塞州北安多弗的6K先進電池中心。照片來自6K公司,。

總結(jié)

總的來看,，南極熊認為我國3D打印電池的發(fā)展仍處于相對薄弱的水平，而如歐洲黑石,、美國Sakuu等3D打印電池制造企業(yè)已經(jīng)走上了工業(yè)化生產(chǎn)的道路,，并且向著更大規(guī)模發(fā)展。這給了我們國內(nèi)電池制造廠商一些啟示：3D打印電池的技術(shù)攻關(guān)迫在眉睫,，相關(guān)產(chǎn)出成果需要及時轉(zhuǎn)化,，盡快步入商業(yè)化生產(chǎn)道路，迎接電池行業(yè)即將到來的挑戰(zhàn),，以確保電芯供應鏈和占領(lǐng)更多全球電池市場,。

參考閱讀：

[1] 3D打印固態(tài)電池，KeraCel獲得日本汽車零部件制造商Musashi投資-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)

[2] 電池3D打印技術(shù),！Sakuu推動電動汽車發(fā)展-南極熊3D打印網(wǎng)- 平臺 (nanjixiong.com)

[3] 推進3D打印固態(tài)電池,！解析SakuuCorporation的三項新專利-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com)

[4] 擴張3D打印電池業(yè)務！黑石Blackstone子公司擬赴美上市-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)

[5] Sakuú公司3D打印3Ah鋰固態(tài)電池-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com)

[6] 固態(tài)電池新時代,！Sakuu公司新建3D打印固態(tài)電池試驗設(shè)施產(chǎn)能可高達2.5兆瓦-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)

[7] Sakuu預計2023年推出全3D打印固態(tài)電池,！-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)

[8] BLACKSTONE宣布3D打印鈉離子電池將于2025年應用于公共汽車！-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com)

[9] Photocentric成立3D打印電池研究部門,，為汽車定制燃料電池-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)

[10] protolabs報告：82%的歐洲電池企業(yè)將在未來一年內(nèi)提升3D打印能力-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)

[11] 3D打印電池電極助力新能源汽車發(fā)展-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com)

[12] 突破性3D打印固態(tài)電池,！黑石磷酸鋰鐵陰極技術(shù)無需鈷或鎳-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)