首尔国立大学表明3D打印正驱动能源设备创新，覆盖发电、能量转换与存储应用

南极熊导读：随着3D打印技术的快速发展，增材制造正在重塑能源行业的未来格局，在核能、可再生能源、石油天然气以及涡轮机械等领域都展现出巨大潜力。

△3D打印技术正驱动能源设备创新示意图

2025年7月10日，南极熊获悉，韩国首尔国立大学的研究团队在《Nature Microsystems & Nanoengineering》期刊上发表了一篇全面的综述文章，重点探讨了增材制造技术如何革新能源技术的设计与生产。该综述对3D打印在能源生产、转换和存储系统中的最新进展进行了分类，展示了增材制造如何使能源设备在整个生命周期中变得更高效、更紧凑和更实用。

△相关研究题目为“3D打印能源设备：发电、转换和存储”（传送门）

传统能源设备通常受到减材制造工艺的限制，包括材料兼容性受限和几何复杂性受限。研究表明，3D打印能够实现复杂的结构控制、快速成型以及微米和纳米尺度的可扩展制造，从而突破了这些限制。事实证明，这些能力对于开发高性能、特定应用的能源解决方案至关重要。

△模仿肺部结构并借鉴骨骼设计理念，开发了燃料电池的3D打印流场结构

生物启发的能源生产突破

在能源生产领域，研究人员利用3D打印技术开发了仿生设计的聚合物电解质燃料电池（PEFC），功率密度提升了30%。此外，采用类似骨骼结构的钛气体扩散层，性能也提升了15%。太阳能应用方面，通过直接墨水写入（DIW）技术生产的银网电极实现了26.47%的高功率转换效率。同时，基于折纸设计的FDM打印方法支持了柔性、可穿戴光伏电池的制造。

燃料电池、水分解系统和微生物燃料电池同样从3D打印的多孔结构中受益，这些结构优化了物质传输并增加了活性表面积，进而显著提升了电压、效率和可扩展性。

△受折纸启发的可拉伸光伏结构

能量转换装置走向3D化

增材制造技术正在推动压电、摩擦电和热电系统的创新。例如，利用数字光处理（DLP）技术，研究人员制造出了无需后极化的可编程各向异性响应压电超材料。而通过FDM和DIW技术制造的分层结构，显著提升了摩擦电纳米发电机（TENG）的性能。

热电发电机（TEG）方面，保形3D打印技术使设备更好地贴合曲面热源，提高了能量获取能力。研究展示了核壳微晶格和基于碳纳米管（CNT）的架构，品质因数（ZT）高达1.09，超过了传统制造的TEG性能。

△3D打印压电超材料和摩擦电绒毛结构，用于增强能量转换

结构智能的存储解决方案

在能源存储方面，3D打印电池和超级电容器的进展同样值得关注。DIW和DLP技术实现了多孔电极结构，而SLA技术则使得电极设计的面积容量达到3.6 Ah/g。微晶格锌阳极展现了无枝晶特性，而基于石墨烯气凝胶和DLP打印的八面桁架电极的超级电容器，面积电容高达207.9 F/cm²，并具有增强的机械弹性。

一些电池系统甚至被设计为承重部件，这标志着向集成到结构元件中的多功能电源的转变。

△合成过程及纳米、微米和宏观孔隙度的示意图

这项技术面临的困难与机遇

当前，增材制造技术发展的关键挑战主要集中在以下几个方面：开发高性能的可打印材料、增强打印成品的机械强度、提升多材料及混合打印技术的能力，以及扩展生产规模以满足更广泛的应用需求。

研究人员强调了结合多种AM方法的混合打印系统制造完全集成能源设备的潜力。新兴的3D打印技术，如体积3D打印和基于MEMS的全息系统，能够即时制造出适用于燃料电池和微流体的复杂几何形状。

颗粒挤出技术因它在大规模生产中的经济高效性而受到青睐，尤其适用于电池外壳或超级电容器基板的生产。在微观结构层面，混合FDM（b-FDM）技术能够精确控制材料梯度，从而打造具有定制电学和热学性能的能源设备。同时，激光粉末床熔合（LPBF）技术的进步，例如ADDiTEC的封闭粉末Fusion S系统，正在提高用于氢燃料电池和热能系统的高性能金属的打印质量和安全性。

总体而言，这项研究表明，不断进步的3D打印技术正在为能源研究和工业可持续发展开辟新领域。