综述：下一代锂离子电池的3D打印途径，有望替代传统浆料涂覆方法

2025年8月11日，南极熊获悉，北方民族大学的研究人员在《ACS Omega》期刊上发表了一篇全面的综述，详细介绍了3D打印如何改变锂离子电池（LIB）的设计。此外，论文还讨论了3D打印方法在锂离子电池制造中面临的挑战。

论文题为“3D-Printed Electrode/ElectrolyteArchitectures for High-Performance Lithium-Ion Batteries: Mechanisms,Materials, and Challenges/高性能锂离子电池的3D打印电极/电解质结构：机理、材料和挑战”，由楼晓飞、赵莉、高阳和南晓晖领导，探讨了增材制造技术在高性能电极和电解质方面的应用，并突破了传统浆料涂覆方法的局限性。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.5c02247?

作者阐述了增材制造如何实现精密设计的微结构，使其性能优于传统的涂覆技术。综述重点介绍了四种主要的3D打印方法：熔融沉积成型(FDM)、直接墨水写入 (DIW)、立体光刻 (SLA) 和粘合剂喷射 (BJ)。每种方法都为制造锂离子电池组件提供了独特的优势，能够精确控制孔隙率和几何形状，从而实现更高的能量密度和更长的循环寿命。

△3DP-NC制备工艺示意图。图片来自ACS Omega

电池组件的精密工程

传统的锂离子电池电极依赖于浆料涂覆方法，这种方法限制了对几何形状和孔隙率的控制。相比之下，3D打印技术可以定制阳极和阴极，优化锂离子路径，减少非活性材料的使用，并实现定制的结构设计。

△3D打印NG电极示意图。图片来自ACS Omega。

在负极方面，创新包括多孔碳支架、硅-石墨烯复合材料以及抑制枝晶生长的锂金属主体。例如，源自锌MOF的氮掺杂碳骨架实现了均匀的锂沉积，并实现了30 mAh·cm₂ (LCO) 和 LiFePO⁻² (LCO) 和 350 Wh·kg⁻¹(LFP)。

综述还详细介绍了3D打印的固体和准固体电解质。结合了紫外光固化凝胶和离子液体的可打印油墨已展现出良好的离子电导率和界面稳定性，这使得3D打印成为未来固态电池系统的可行平台。

△3D打印LCO电极制造及LCO墨水成分示意图。图片来自ACS Omega

增材制造与电化学的结合

随着电动汽车和消费电子产品对先进锂离子电池的需求不断增长，3D打印正逐渐成为原型设计和能源设备生产的多功能工具。近期关于3D打印钠离子电池、柔性电子产品和形状保形电池的报告反映了数字化制造储能系统日益增长的趋势。

此外，研究团队越来越多地将 3D 打印与机器学习和新型油墨化学相结合，以实现配方和性能优化的自动化，正如圣母大学团队最近的研究成果所示。

展望与局限性

虽然作者强调了3D打印对电池架构前所未有的控制力，但材料限制仍是一大挑战，尤其是需要导电、可打印的油墨，以避免传统热塑性塑料的性能损失。热退火等后处理步骤进一步增加了制造流程的复杂性。

可扩展性也是一个挑战，大多数方法都难以在分辨率和打印速度之间取得平衡。然而，多材料打印和机器学习辅助墨水配方等新兴策略提供了颇具前景的解决方案。固态电解质既体现了潜力，也存在一些缺陷；虽然3D打印版本可以实现具有竞争力的离子电导率，但界面电阻等问题仍未得到解决。

作者认为，短期内，增材制造技术可能在柔性电子和超厚电极等特殊应用领域找到最强劲的市场。随着油墨化学和工艺集成的进步，3D打印技术或将从根本上重塑下一代电池的设计和制造方式。

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