综述：3D打印如何实现随形电池在紧凑型设备中的无缝集成

2025年7月21日，南极熊获悉，深圳大学和清华大学的研究人员发表了一篇关于形状适形电池的随形3D打印技术的全面综述，强调了在柔性电子产品、可穿戴设备和紧凑型嵌入式系统中革新储能技术的潜力。

相关论文题为“Conformal 3D printing towardsshape-conformal batteries: a topical review”，于2025年2月发表在《虚拟与物理原型》杂志上，探讨了在曲面上直接制造电池的关键策略、技术发展和挑战，这是迈向单片器件集成的关键一步。

论文链接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2025.2461752

形状适形电池

传统电池，无论是刚性、平面还是封装，对于注重紧凑性和复杂几何形状的新兴产品而言，都构成了限制。在智能眼镜、助听器和微型无人机等应用中，可用空间通常决定着性能。形状随形电池有望通过将电源系统直接嵌入结构部件来突破这一限制。然而，传统的制造技术难以在不规则表面上沉积和组装电池材料。这正是随形3D打印的用武之地。

与制造扁平并弯曲成形的柔性电池不同，随形电池是在非平面几何形状上逐层构建的。这使得它们能够完全贴合基底，最大限度地减少空间浪费并提高集成度。诸如直接墨水书写 (DIW) 和气溶胶喷射打印 (AJP) 等技术已成为关键推动因素，可为复杂表面提供高精度和多材料兼容性。

随形电池制造的最新进展

一个值得注意的例子是 Yu 等人的研究，他们利用 AJP 技术在球形表面上制造锂离子电池。气溶胶墨水实现了正极和负极材料的非接触式沉积，这些材料被直接打印在定制外壳上。装置采用 FDM 打印的外壳密封，在 0.1C 电流密度下实现了  135 mAh g⁻¹ 的放电容量，并在 30 次循环后保持了 78.4% 的容量。虽然结果略低于平面基准，但证实了在复杂几何形状上直接打印电池的可行性。

△在非平面表面上气溶胶喷射打印锂离子电池。阴极和阳极被打印到带有定制FDM外壳的曲面外壳上。图片来自刘等人的《虚拟与物理原型》。

Ahn等人演示了如何使用三轴DIW系统制造耳形锌离子电池。MnO₂和和Zn电极以交错图案打印，然后进行凝胶电解质和UV固化树脂封装。与将柔性片状电池压在曲面上（会导致分层和开裂）的尝试相比，直接打印的装置实现了牢固的粘合性和电化学稳定性。它能够为助听器模块供电，在0.2 A g-¹电流密度下可提供248 mAh g-¹的容量。

△在耳形基底上直接打印锌离子电池。随形打印装置成功为助听器供电。图片来自刘等人的《虚拟与物理原型》。

Fassler 等人探索了一种混合技术，将 DIW 和 AJP 相结合，在方形铜条上构建了一个共形锂离子电池。阳极采用 DIW 沉积，以实现高材料负载；而 AJP 则用于获得厚度在 4 至 12 微米之间的薄而均匀的隔膜层 (Pyrolux)。尽管由于非平面表面真空密封的挑战，最终电池性能略有下降，但该研究展示了一种可行的多材料工艺流程。

△在方形铜条上混合制造随形锂离子电池。图片来自刘等人的《虚拟与物理原型》。

在一项更集成的演示中，Meng 等人开发了一个五轴打印平台，能够在一次操作中构建电池、电路和传感器。他们的系统使用多个压电喷嘴来沉积低粘度材料（例如银墨）和高粘度电池浆料。锌离子电池、温度传感器和 LED 被打印到曲面基板上，并进行原位紫外固化和烧结。最终的组件作为一个独立的智能系统运行，能够响应热量并激活 LED。

△五轴共形3D打印集成系统，包含锌离子电池、温度传感器和LED，位于曲面上。图片来自刘等人的《虚拟与物理原型》。

剩余的挑战和未来展望

这些研究反映了共形电池研究的日益复杂化，同时也凸显了持续存在的挑战。固体电解质的高分辨率打印仍然困难，尤其是在需要平衡流动性、结构稳定性和离子电导率的情况下。封装是另一个悬而未决的问题，因为传统的电池外壳与复杂的几何形状不兼容。一些研究人员已经转向紫外光固化封装材料，尽管长期耐久性仍在评估中。

设计软件也仍处于发展阶段。虽然平面打印的切片工具现已成熟，但随形电池打印需要自定义算法来生成曲面上的路径。一些研究团队已经使用 Grasshopper 和 MATLAB 构建了相关工具，但用户友好的商业级解决方案仍然匮乏。

尽管面临这些挑战，作者认为共形电池技术正在稳步发展。随着制造系统越来越普及以及材料不断改进，形状共形电池或将成为集成电子设计的核心特征。随着进一步发展，电池有望从独立组件转变为与供电设备几何形状和功能相匹配的嵌入式系统。

扩大 3D 打印在能源和电子领域的作用

这篇综述基于越来越多的研究成果，探讨了3D打印如何重塑储能和功能性电子产品。据《3D打印产业》杂志最近报道，首尔国立大学的研究人员展示了增材制造技术如何实现仿生能源系统的发电、转换和存储，预示着结构集成和性能齐头并进的未来。同时，3D打印电子产品（例如nScrypt公司的产品）的进步，凸显了共形3D打印电路结构日益复杂的趋势。