通过多种不同技术3D打印电池技术解析

来源：电子工程3D打印  

导读：能量存储是移动电子产品必不可少的一部分，对于尺寸小而储蓄能量大的电池一直是市场所追求的。这些年来，大量的工作都集中于开发电极材料，电解质、胞体结构及新的制造方法，目的在于提高电池的电化学性能，减少制造成本及扩展应用领域。

同时，3D打印正在改变我们的世界，且这项技术发展的非常快，很快变成下一代3D打印能量结构的基础，几乎任意形状的电池和超级电容可以被打印出来。直到现在，制造商不得不根据商业电池的形状和尺寸来设计他们的电子产品，而且电池占据了现代电子产品大部分空间。大多数电池都是圆柱或者四方体的形状，被优化成纽扣状或者袋式。因此当制造商在设计产品过程中，他们必须为电池预留一定的尺寸和形状，这样可能会浪费空间和限制设计想法。对于下一代柔性电子而言将会面对越来越多这样的设计问题。

最近在《Advanced Functional Materials》期刊上发表的“Additive Manufacturing of Batteries”对于通过不同技术3D打印电池作出了全面的概述，包括了基于光刻技术的3D打印（SLA）、基于模板辅助电沉积的3D打印、喷墨打印、直写技术、熔融沉积及气溶胶喷射技术等。

3D打印电池概览（电极材料、电解质材料、打印技术）

作者同样针对每种打印技术讨论了其工作原理、打印工艺、优势及局限性，并强调了打印电池的电极材料及电解质材料。作为一项先进的制造技术，3D打印已经越来越多地被应用于制造复杂物体，通过数字化控制沉积相变材料、活化材料及基于溶剂的油墨。制造方法通常是通过设计三维虚拟模型，应用专用软件将三维模型切片成为二维截面。通过后续打印二维截面图形，层层堆积，一个完整的3D打印物体最终被制造出来。

3D打印微电池

这张图片向我们展示了交错堆积的电极，通过3D打印一层接一层来创建电池的阳极及阴极，这个电池的尺寸只有一粒沙子那么大。具体细节可在《3D Printing of InterdigitatedLi-Ion Microbattery Architectures》文章中查看。

有好几种3D打印技术已经被开发并已经被广泛应用。1）材料挤出；2）粉床熔融；3）光固化；4）材料喷射；5）喷射粘结剂；6）片体层压；7）直接能量沉积。

当应用于电池制造时，对比传统电池制造技术3D打印具备几项非常重要的优势：1）可以制造任意复杂结构；2）精确控制形状和电极厚度；3）打印固态电解质具有更高的结构稳定性及更安全的操作性。4）潜在的低成本、环境友好性及易操作性；5）可能会减少通过集成电池和其他电子器件组装和封装的环节。

对于未来设计的重要性在于3D打印可以制造新颖的3D结构电极，具备更大的表面和更高的装填密度，可以为离子传输提供更短扩散通道和更小的阻抗以提高能量密度和功率密度。至于持续性和环境影响方面，3D打印可以很大程度上减少材料浪费及加快制造进程，原因在于其相对简单的制造工艺。

总得来说，3D打印为高性能及复杂形状的3D结构电池的制造开创了新的途径。尽管考虑到准备条件、材料以及工艺的兼容性问题，并不是所有的3D打印技术和现有的传统材料适合于3D打印电池。文章中通过大量对比3D打印电池技术方面优劣，具体见下图所示。

基于电池打印，不同3D打印技术的对比

目前钛酸锂和磷酸铁锂是3D打印电池中最常用的阳极和阴极材料，其展示出最小的体积膨胀、大电流能力、高稳定性及安全性。

碳纳米材料对于3D打印电池的电极材料是值得期待的一组材料。例如还原性氧化石墨烯和石墨烯已经应用于3D打印极速超级电容器。碳纳米管和纳米纤维已经是非常流行的打印材料，归因于它们高机械强度、高化学稳定性及大比表面积，及其优异的电/热性能。

紧接着电极材料，电解质材料是电池最重要的部分，它作为催化剂可以使离子在充电时从阴极到阳极的运动，放电时向相反的方向运动。电解质在电池的电化学性能、充放电次数、安全性方面扮演着决定性的角色。

在持续发展的3D打印技术中，电池的电解质可以直接被打印出来减少制造工序，制造时间及生产成本。

总之，尽管在3D打印电池方面已经取得了很多进步，但是仍然面临很多挑战需要在其应用于商业用途被解决。这些挑战包括现用的可打印材料很少，尤其是可以用于3D打印电池的活性材料。而且，大多数现有针对3D打印电池主要集中于电极材料和电解质。然而尽管其作为电池的重要组成部分，对于现有的集电极材料3D打印性却很少有人调研过。此外，对于全尺寸的3D打印电池，每个部件打印油墨的兼容性仍然是个很大的挑战。我们期望随着3D打印技术、材料的持续发展，3D打印电池的耐久性、安全性、及高能量/功率密度，将会使其在很多领域得到应用。



由西安瑞特三维科技有限公司研发的双微笔直写3D打印设备（型号：JD200Pro），可以实现两种粘态材料的在线同时打印（直写+直写），此外其微笔头可以与标准的FDM打印头进行互换（FDM+直写），非常有利于3D打印电池的研发制造。欢迎有感兴趣的朋友联系咨询~

JD200Pro型设备

下图是文章中分别采用微笔直写技术和FDM技术制造电池的案例。

微笔直写打印电池（来源于文章：Additive Manufacturing of Batteries，如有侵权联系删除）

FDM打印电池（来源于文章：Additive Manufacturing of Batteries，如有侵权联系删除）

备注：本文正文部分为的Michael Berger文章的译文。