3D打印電池在汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

南極熊導(dǎo)讀：用3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)鋰離子、鈉離子的新能源汽車(chē)電池，具有將能量密度提高一倍，制造成本降低一半的潛力。希望引起中國(guó)的重視。

在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，3D打印電池所展現(xiàn)出的高能量密度、可持續(xù)、輕量化等優(yōu)勢(shì)是電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)迫切需要的。所以開(kāi)發(fā)可商業(yè)化、大規(guī)模使用的3D打印電池將成為電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)未來(lái)的新方向。南極熊本期文章概述了當(dāng)下全球3D打印電池在汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，相信這將給我們?cè)霾闹圃煲约捌?chē)領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)一些新的啟示。

△特斯拉電動(dòng)汽車(chē)電池組拆解

3D打印固態(tài)電池專(zhuān)家Sakuu

Sakuu Corporation是一家總部位于美國(guó)加利福尼亞州的工業(yè)解決方案提供商，前身為KeraCel 公司，成立于2016年。Sakuu的3D打印平臺(tái)是一個(gè)用于靈活、經(jīng)濟(jì)高效地大量生產(chǎn)復(fù)雜功能設(shè)備的多材料、多方法3D打印解決方案。這使能源行業(yè)內(nèi)的制造商能夠改善成本、性能和當(dāng)前固態(tài)電池選件的范圍。

2019年5月份，Sakuu（也稱Keracel）公司宣稱在生產(chǎn)陶瓷固態(tài)鋰電電池方面取得了最新突破。同年8月，日本汽車(chē)零部件制造商Musashi Seimitsu Industry宣布與Sakuu建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，目標(biāo)是加速3D打印固態(tài)電池的發(fā)展。他們的計(jì)劃是首先將該技術(shù)應(yīng)用于摩托車(chē)行業(yè)，然后再去適應(yīng)更廣泛的汽車(chē)行業(yè)。

2021年6月17日，Sakuu Corporation宣布了三項(xiàng)專(zhuān)利：具有密封陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的混合固態(tài)電池、能夠創(chuàng)建有源設(shè)備（如微反應(yīng)器或固態(tài)電池）的增材制造系統(tǒng)，以及電子照相多材料3D打印機(jī)。

△Sakuu AM平臺(tái)內(nèi)部。照片來(lái)自Sakuu。

2021年7月28日，Sakuu Corporation宣布已開(kāi)發(fā)出一種3Ah鋰固態(tài)電池 （SSB），性能等同于或優(yōu)于當(dāng)前的鋰電池。Sakuú一直在開(kāi)發(fā)第一代SSB電池技術(shù)及旗艦增材制造平臺(tái)，據(jù)稱平臺(tái)使用多材料粘合劑噴射工藝，并于2021年年底投入商業(yè)使用。第一代電池包括30個(gè)子電池，使用鋰金屬和陶瓷隔板。另外，電池設(shè)計(jì)使用當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)陰極材料（未來(lái)或許會(huì)使用支持更高電壓的陰極材料），可產(chǎn)生高達(dá)25％的能量。

△Sakuu的第一代固態(tài)電池。圖片由Sakuu提供。

2021年8月22日， Sakuu公司開(kāi)始著手于建設(shè)一個(gè)新的試驗(yàn)設(shè)施，用于生產(chǎn)3D打印固態(tài)電池。據(jù)報(bào)道，這條試驗(yàn)產(chǎn)線于2021年底完成，投產(chǎn)后每年將能生產(chǎn)高達(dá)2．5兆瓦時(shí)的固態(tài)電池。在未來(lái)幾年，它還將作為該公司的多材料3D打印系統(tǒng)＂Sakuu AM平臺(tái)＂的客戶學(xué)習(xí)中心。工程公司Relevant Industrial和霍尼韋爾將通過(guò)提供工程、工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成支持來(lái)幫助建立該設(shè)施。

△Sakuu即將推出的試驗(yàn)生產(chǎn)線的效果圖。圖片來(lái)源于Sakuu公司

Sakuu公司一直致力于3D打印固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)和推廣。固態(tài)電池與目前主流的傳統(tǒng)鋰電池最大的不同在于電解質(zhì)。傳統(tǒng)鋰電池主要由正負(fù)極材料、電解液和隔膜組成。正負(fù)極材料決定了電池的容量，電解液及隔膜作為傳輸鋰離子的介質(zhì)。而固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)，替代了傳統(tǒng)鋰電池的電解液和隔膜。與鋰電池相比，固態(tài)電池更加安全、更高的理論能量密度和更高的體積能量密度。但是，固態(tài)電池也有一定的局限性，比如固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率低，不能快速充能；材料物理接觸會(huì)隨時(shí)間變差，影響使用壽命；制備工藝復(fù)雜。

△電池結(jié)構(gòu)示意圖

△電池性能對(duì)比

Sakuu的增材制造技術(shù)融合了粉末床和噴射材料沉積技術(shù)，并使用多種材料來(lái)制造零件。它結(jié)合了陶瓷和金屬以及Sakuu的PoraLyte支撐材料，消除了部件懸垂的限制，并能夠創(chuàng)建帶有內(nèi)部通道和腔體的設(shè)備。

Sakuu說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)較現(xiàn)有產(chǎn)品有著很大的飛躍，能夠制造薄單片層和完美介面，從而生產(chǎn)高能量密度固態(tài)電池（SSB）。此外，得益于粉末到粉末工藝，據(jù)說(shuō)陶瓷和金屬材料的可回收性比傳統(tǒng)方法更容易，不需要提取石墨，也不需要聚合物，這意味著減少了垃圾填埋或焚燒。

△Sakuu電池3D打印使用了多重3D打印技術(shù)