第一屆電池3D打印大會(huì)在深圳大學(xué)成功召開(kāi)，引起大量關(guān)注

2023年7月15日，第一屆電池3D打印大會(huì)在深圳大學(xué)舉行。這場(chǎng)由南極熊3D打印網(wǎng)、深圳大學(xué)增材制造研究所聯(lián)合發(fā)起的研討會(huì)，引起大量專業(yè)人士的關(guān)注，現(xiàn)場(chǎng)匯聚來(lái)自全國(guó)各地的100多位3D打印、大學(xué)、新能源、投資等領(lǐng)域的嘉賓，進(jìn)行了一場(chǎng)輕松而又充滿干貨的交流。這是國(guó)內(nèi)首次公開(kāi)的電池3D打印交流活動(dòng)。
隨著電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)儲(chǔ)能、移動(dòng)設(shè)備以及智能穿戴等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，對(duì)新能源電池的續(xù)航、快充、壽命及安全性等提出了越來(lái)越高的要求。以“涂布薄電極+疊層/卷繞”為核心特征的電池構(gòu)型是目前新能源電池的主流技術(shù)路線。然而，受鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)限制，在現(xiàn)有電池構(gòu)型中，集流體上涂覆的活性材料厚度不超過(guò)100 μm，其面臨的“能量密度與功率密度的矛盾”是影響電池性能的關(guān)鍵。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)3D打印賦能電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、形狀/尺寸定制化、電池柔性化，為新能源電池的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇和可能性。

△汽車電池3D打印生產(chǎn)車間（圖源Blackstone）

△3D打印固態(tài)電池（圖源Blackstone）

隨著國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，誕生了比亞迪、寧德時(shí)代為代表的世界級(jí)電池領(lǐng)軍企業(yè)，在“涂布薄電極+疊層/卷繞”構(gòu)型基礎(chǔ)上，進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，研發(fā)了“刀片電池”、“麒麟電池”等業(yè)界領(lǐng)先的電池技術(shù)。然而，國(guó)內(nèi)目前在新能源電池3D打印領(lǐng)域，尚處于起步階段，未出現(xiàn)具備規(guī)模化量產(chǎn)前景的電池3D打印技術(shù)及相應(yīng)的電池產(chǎn)品。

新能源電池，使用3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)制造，有什么的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)？有什么技術(shù)難點(diǎn)？什么樣的技術(shù)工藝才能適應(yīng)真正的電池大批量生產(chǎn)制造？

△大會(huì)主持人是南極熊3D打印網(wǎng)主編 黎海雄

主持人向大家介紹了本場(chǎng)大會(huì)的發(fā)起淵源：
“前段時(shí)間來(lái)和深圳大學(xué)增材制造研究所的老師聊天，不經(jīng)意間得知，我認(rèn)識(shí)了十年的深圳大學(xué)劉長(zhǎng)勇副教授，做了不少3D打印電池的研究，也發(fā)表了不少論文，是國(guó)內(nèi)從事這方面研究的學(xué)者當(dāng)中，論文發(fā)布最多之一。
由于我們南極熊一直在關(guān)注電池3D打印這個(gè)技術(shù)應(yīng)用方向的進(jìn)展，但是國(guó)內(nèi)很少有人做，那我們能不能發(fā)起一場(chǎng)會(huì)議，來(lái)討論、來(lái)交流，來(lái)交個(gè)朋友呢？這樣說(shuō)不定可以推動(dòng)這方面的發(fā)展進(jìn)程。
就是一個(gè)這么簡(jiǎn)單的沖動(dòng)，我們南極熊就和深圳大學(xué)增材制造研究所策劃了今天這個(gè)活動(dòng)。
我相信今天來(lái)的這么多朋友，心里面都是帶著“怎么樣3D打印電池？”這個(gè)疑問(wèn)的，一沖動(dòng)就報(bào)名來(lái)參加了。這里的朋友，做的領(lǐng)域主要包括3D打印、投資機(jī)構(gòu)、新能源電池等。
今天主講的嘉賓包括深圳大學(xué)增材制造研究所所長(zhǎng) 教授 陳張偉，深圳大學(xué)副教授——?jiǎng)㈤L(zhǎng)勇，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授——曹譯丹，高能數(shù)造聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO楊康，本來(lái)還想邀請(qǐng)電池廠商的3D打印部門(mén)負(fù)責(zé)人，不過(guò)由于技術(shù)秘密問(wèn)題而不宜上臺(tái)演講。”

△深圳大學(xué)增材制造研究所所長(zhǎng)、教授 陳張偉

深圳大學(xué)增材制造研究所所長(zhǎng)、教授 陳張偉，主要從事陶瓷3D打印研究，對(duì)本次大會(huì)做了致辭。

3D打印鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)


△深圳大學(xué)副教授 劉長(zhǎng)勇

深圳大學(xué)副教授 劉長(zhǎng)勇做了“3D打印鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)”的報(bào)告。部分演講內(nèi)容摘錄：


劉長(zhǎng)勇認(rèn)為，
“3D打印可以這樣賦能電池制造：        

• 3D打印賦能電極結(jié)構(gòu)/電池構(gòu)型創(chuàng)新
• 3D打印促進(jìn)電池原型快速研發(fā)
• 3D打印個(gè)性化/異形電池快速制造
• 面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
• 3D打印賦能結(jié)構(gòu)/電池/電路曲面共形設(shè)計(jì)
  

“如果最大化去利用空間，那么是要做一個(gè)異形的個(gè)性化，如果說(shuō)我很可以很快速做這樣一個(gè)電池，可以讓你的產(chǎn)品能夠獲得最大的能量，續(xù)航能力更好。你要做到形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸都可以定制化的電池，怎么能夠用3D打印來(lái)做這個(gè)事情，這個(gè)也是做增材制造的朋友可以去考慮事情。”

“很多軍工上的產(chǎn)品，尤其是飛機(jī)，它前面是一個(gè)雷達(dá)天線罩，要在一個(gè)曲面上要把結(jié)構(gòu)件、電路、天線很多東西都要集成，如果可以做到這種結(jié)構(gòu)電池電路，全面都是曲面共形這種設(shè)計(jì)的話，將是非常有潛力的一種技術(shù)，當(dāng)然這個(gè)是很難解決的，我以前也想過(guò)這個(gè)問(wèn)題，但是并沒(méi)有很好的方案。”

“藍(lán)牙耳機(jī)里面的空間是異形的，在異形面做一個(gè)填充效率最高的電池，就很有價(jià)值。”

“3D打印電池做原型驗(yàn)證，然后到批量化的時(shí)候還是傳統(tǒng)工藝，批量化的時(shí)候它又存在制造問(wèn)題。實(shí)際上我們現(xiàn)在3D打印電池，沒(méi)辦法反映任何傳統(tǒng)工藝制造中存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一個(gè)新品種的電池，它存在的制造問(wèn)題仍然要解決一遍，這點(diǎn)會(huì)阻礙廠商去用3D打印技術(shù)來(lái)制造電池。”
“可以用3D打印技術(shù)來(lái)做電極的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，或者叫電池的構(gòu)型創(chuàng)新。以往的時(shí)候電極很薄，要用大量的鋁箔銅箔集流體。如果讓電量有效載荷比例變大，那么就可以提高能量密度。但是它做厚了之后，實(shí)際上鋰離子擴(kuò)展很慢，半天走不出來(lái)，來(lái)不及，所以可以把電極創(chuàng)新一下。比如說(shuō)在里面修一個(gè)通道，然后電子離子可以很快從通道里面過(guò)去，或者說(shuō)把疊在一起的構(gòu)型，通過(guò)交叉，讓電極離子橫向擴(kuò)散，就不需要跑那么遠(yuǎn)了，只需要在附近跑就行了。”

下一代高能量密度鋰電池設(shè)計(jì)與探索


△清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授 曹譯丹

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授 曹譯丹做了“下一代高能量密度鋰電池設(shè)計(jì)與探索”主題報(bào)告，從比較偏基礎(chǔ)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究——電池材料的設(shè)計(jì)，來(lái)提升能量密度。部分演講內(nèi)容摘錄：
“鋰離子電池，現(xiàn)在已經(jīng)在很多領(lǐng)域有了非常廣泛的應(yīng)用，除了我們非常熟悉的手機(jī)和筆記本電腦之外，其實(shí)在很多的醫(yī)療器械或者說(shuō)大型儲(chǔ)能領(lǐng)域也在使用。但是現(xiàn)在鋰離子電池整個(gè)的使用壽命，還有能量密度、比容量，快充的性能，安全的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仍然困擾著產(chǎn)業(yè)界。”

“現(xiàn)在很多人都在做硅的負(fù)極。因?yàn)橄啾扔诂F(xiàn)在商用的鋰離子電池里面所用的石墨負(fù)極而言，硅的比容量是石墨負(fù)極的10倍，但是它又有相應(yīng)的一系列問(wèn)題，包括在使用的過(guò)程當(dāng)中，這個(gè)材料非常的不穩(wěn)定。另外一個(gè)比較有前景的或者說(shuō)備受關(guān)注的電極材料，是鋰金屬，我們都知道它在化學(xué)元素周期表里，在一個(gè)非常靠前的位置，是一個(gè)非常活潑的金屬，這也就為它帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，這種高反應(yīng)活性讓它在電池使用的過(guò)程當(dāng)中非常容易產(chǎn)生一系列電解液的副反應(yīng)，導(dǎo)致它不穩(wěn)定，然后產(chǎn)生體積膨脹，容易產(chǎn)生粉化這樣一系列的問(wèn)題，導(dǎo)致電池的失效以及安全一些問(wèn)題。”

“現(xiàn)階段我們所使用的電池材料體系多少是基于石墨為負(fù)極，正極所使用的材料，包括三元的氧化物，還有磷酸鐵鋰。整體的能量密度都在300瓦時(shí)每千克以下，我們下一代對(duì)于高能量密度電池的需求，需要它能夠達(dá)到300瓦時(shí)甚至400、500瓦時(shí)每千克這樣的目標(biāo)。”

電池制造工藝的顛覆與創(chuàng)新——3D打印為高性能電池的設(shè)計(jì)制造插上騰飛的翅膀


△高能數(shù)造聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO楊康博士

高能數(shù)造作為國(guó)內(nèi)鮮有的主營(yíng)3D打印電池的公司，其聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO楊康博士，為觀眾帶來(lái)了“電池制造工藝的顛覆與創(chuàng)新——3D打印為高性能電池的設(shè)計(jì)制造插上騰飛的翅膀”，并現(xiàn)場(chǎng)展示了3D打印的電池。

△高能數(shù)造3D打印電池


“3D打印的固態(tài)電池，剪開(kāi)它也是安全性比較高的，能不會(huì)短路起火。我們最薄可做到300~400微米一個(gè)電池。”
“美國(guó)SAKUU的3D打印電池，據(jù)說(shuō)已經(jīng)準(zhǔn)備交付了，其工藝路線似乎是絲網(wǎng)印刷的。絲網(wǎng)印刷我們自己也試了一下，單層一致性也做不好，另外它對(duì)絲網(wǎng)的工藝要求也比較高，我們自己做的時(shí)候發(fā)現(xiàn)它粘附漿料，然后會(huì)導(dǎo)致極片的一致性變差。疊層涂覆的時(shí)候也會(huì)有問(wèn)題，他們可能在這些方面有一些比較好的技術(shù)積累，非常推崇3d打印，對(duì)于形狀結(jié)構(gòu)這些可能設(shè)計(jì)更加自由，能夠去變相的提升用電器的續(xù)航。”

“把電極做厚是比較難的，我們能夠利用3D打印工藝去做電極，然后在內(nèi)部設(shè)計(jì)一些孔道結(jié)構(gòu)，方便電解液的浸潤(rùn)，離子傳輸就會(huì)比較好。”

“跟我們有接觸的做3C消費(fèi)電子的廠商，也在嘗試做快速的充放，這個(gè)在電極的正負(fù)極里面都會(huì)有應(yīng)用。”

“我們主要推的是利用3D打印的工藝去做全固態(tài)電池，主要問(wèn)題集中在界面上，所以我們首先想到的就是利用3D打印技術(shù)去設(shè)計(jì)電解質(zhì)和電極的界面結(jié)構(gòu)，能夠去增大兩者之間的接觸。”

“高能量密度電池，就是把一些沒(méi)有化學(xué)活性的部分質(zhì)量降到最低，所以我們就爭(zhēng)取把定制隔膜做最薄，利用我們現(xiàn)在的3D打印機(jī)，最薄可以做到7微米，然后也能做的比較厚，19微米、20微米也可以。”

“原位固化就是用3D打印去做電極與電解質(zhì)的原位固化，是傳統(tǒng)的固態(tài)電池工業(yè)解決不了的，就是說(shuō)能夠用原位固化的方式去改善兩者之間的界面，讓他們兩者之間的界面接觸得非常好。”

“我們現(xiàn)在的3D打印電池，不但性能達(dá)標(biāo)，在某些情況下，生產(chǎn)成本已經(jīng)比傳統(tǒng)工藝低30%。”

開(kāi)放式交流：電池3D打印的未來(lái)

主題報(bào)告完畢后，進(jìn)入了開(kāi)放式交流環(huán)節(jié)，在南極熊的主持下，現(xiàn)場(chǎng)與會(huì)人員就很多核心問(wèn)題進(jìn)行了輕松自由的交流。


交流的問(wèn)題包括：

• 新能源電池的制造有什么痛點(diǎn)？有哪些是3D打印適合應(yīng)用的？
• 投資機(jī)構(gòu)如何看待電池3D打印這個(gè)新興領(lǐng)域
• 什么樣的技術(shù)路線能達(dá)標(biāo)質(zhì)量要求？
• 什么樣的技術(shù)路線可以達(dá)到批量化生產(chǎn)要求？
• 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，有哪些技術(shù)難點(diǎn)？
• 量產(chǎn)達(dá)標(biāo)，各個(gè)路線怎么控制，達(dá)到量產(chǎn)/成本/效率的平衡？
  

這是一場(chǎng)非常具有前瞻性的大會(huì)。讓南極熊印象深刻的是，來(lái)參加會(huì)議的多數(shù)嘉賓，全程都在非常認(rèn)真得聆聽(tīng)；由于干貨內(nèi)容信息量大，甚至還有不少人做了好幾頁(yè)的筆記，都希望可以更早地看見(jiàn)新能源電池產(chǎn)業(yè)結(jié)合3D打印技術(shù)的未來(lái)。
南極熊希望，可以通過(guò)本次大會(huì)，啟發(fā)一部分人去關(guān)注、去研究、甚至去從事電池3D打印的相關(guān)工作，結(jié)合新能源這個(gè)萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)的大領(lǐng)域，做出突破。

值得關(guān)注