鄭州輕工業(yè)大學(xué)ESM綜述！3D打印技術(shù)攻克液態(tài)/固態(tài)電池關(guān)鍵挑戰(zhàn)

來源：材料研究進(jìn)展



研究背景

隨著便攜電子設(shè)備和電動汽車的普及，對高性能電池的需求持續(xù)增長。傳統(tǒng)鋰離子電池因能量密度、壽命和安全性受限，難以滿足需求。鋰硫電池、鋰金屬電池等新型電池雖具潛力，但受制于電極材料和電解質(zhì)的局限。3D打印作為一種新興制造技術(shù)，以其高設(shè)計靈活性、成本效益和低廢料生成，在電池制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。它能快速構(gòu)建復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)，克服傳統(tǒng)制造方法在電極幾何形狀和架構(gòu)控制上的不足，為電池性能提升提供新途徑。

成果簡介

在這項研究中，研究人員深入探討了3D打印技術(shù)在液態(tài)和固態(tài)電池制造中的應(yīng)用。他們系統(tǒng)分析了3D打印在解決粉末電極、金屬電極和固態(tài)電解質(zhì)等關(guān)鍵電池材料問題上的優(yōu)勢和局限性。研究涵蓋了3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程、主要技術(shù)原理及其優(yōu)缺點，以及在不同電池材料中的具體應(yīng)用實例。通過實驗驗證，研究人員展示了3D打印如何通過優(yōu)化電極和電解質(zhì)結(jié)構(gòu)來提升電池性能，為未來電池制造提供了創(chuàng)新解決方案。

圖文導(dǎo)讀



圖1展示了3D打印在液態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和固態(tài)電池中的應(yīng)用里程碑，反映了從2013年首次用于鋰離子微電池到2024年在鈉離子電池和鋅離子電池等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。


圖2為四種主要3D打印技術(shù)示意圖，包括直接墨水寫入（DIW）、熔融沉積成型（FDM）、立體光刻（SLA）和噴墨打印（IJP），這些技術(shù)各具特點和適用場景。


圖3對比了五種關(guān)鍵3D打印技術(shù)在電池制造中的特性，包括打印分辨率、材料選擇性、生產(chǎn)效率和成本等。


圖4展示了3D打印碳基材料的應(yīng)用實例，包括厚石墨負(fù)極和用于Li-CO₂電池的碳基框架。


圖5為3D打印硅基負(fù)極的結(jié)構(gòu)示意圖，展示了如何通過3D打印緩解硅基負(fù)極的體積變化和提升離子/電子傳導(dǎo)能力。


圖6展示了3D打印金屬氧化物基正極的應(yīng)用，包括高負(fù)載量Fe5V15O39(OH)9·9H2O納米片和rHGO復(fù)合材料在鋅離子電池中的應(yīng)用。


圖7聚焦于3D打印硫基正極，展示了如何通過3D打印優(yōu)化硫正極的接觸面積和離子/電子傳輸路徑。

結(jié)論

3D打印技術(shù)在電池制造中具有顯著優(yōu)勢，能有效解決傳統(tǒng)制造方法面臨的挑戰(zhàn)。本研究系統(tǒng)梳理了3D打印在提升電池性能方面的潛力，為未來電池制造技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。研究人員強(qiáng)調(diào)，盡管3D打印技術(shù)在電池領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化打印精度、材料選擇和工藝流程，以實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的電池性能。未來，隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，3D打印有望成為電池制造中的核心工藝，推動電池技術(shù)向更高能量密度、更長壽命和更低成本的方向發(fā)展。

文獻(xiàn)

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104342