3D打印電池技術(shù)發(fā)展至今，不僅在“大局”上有不同之處，在最小的微米和納米級(jí)別上也有所不同。在納米級(jí)別，3D打印技術(shù)對(duì)電池電極的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大影響，這就是能量密度增加的原因。長(zhǎng)期以來(lái)，“多孔”電極可以提高能量密度，而增材制造非常適合該工藝，這意味著電極中的材料可以構(gòu)建成三維點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)。

      3D打印電池離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離，這條賽道上涌現(xiàn)的是百花齊放的不同技術(shù)，本期，3D科學(xué)谷與谷友共同了解下一代電池，誰(shuí)主沉浮？

納米電燃料
© Influit Energy

 液流電池

      根據(jù)新華商學(xué)，早在2021年，國(guó)家發(fā)改委和能源局發(fā)布的《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》文件就特別提到，要堅(jiān)持儲(chǔ)能技術(shù)多元化，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣、液流電池等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期。液流電池一直都是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的“后備軍”，有了政策的加持，液流電池的發(fā)展按下加速鍵，逐漸來(lái)到了“臺(tái)前”。液流電池是一種利用兩種或多種溶解在液體中的活性物質(zhì)，在離子膜兩側(cè)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量的裝置。前期礙于產(chǎn)業(yè)化困難，液流電池長(zhǎng)期停留在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中。但在2022年，液流電池產(chǎn)業(yè)化取得突破性進(jìn)展，兆瓦級(jí)產(chǎn)品量產(chǎn)交付，首個(gè)吉瓦時(shí)級(jí)別項(xiàng)目集采開(kāi)標(biāo)，大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站一期成功并網(wǎng)等諸多事件，業(yè)界看到了發(fā)展的曙光。相比起磷酸鐵鋰等新型電池，液流電池其活性物質(zhì)是單獨(dú)儲(chǔ)存在外部?jī)?chǔ)罐中的液體電解質(zhì)，輸出功率和儲(chǔ)能容量相互獨(dú)立，可拓展性能良好，能夠解決鋰電池儲(chǔ)能兩者不可兼得的問(wèn)題。

根據(jù)新華商學(xué)，2023年，液流電池將迎來(lái)元年，背后的商業(yè)邏輯來(lái)自于兩點(diǎn)。

     一是磷酸鐵鋰等鋰電儲(chǔ)能的安全性問(wèn)題解決不了，但液流電池不存在這個(gè)“風(fēng)險(xiǎn)”；二是液流電池吃的是“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”的紅利。據(jù)稱，隨著風(fēng)光新能源并網(wǎng)裝機(jī)占比達(dá)到31.7%，對(duì)調(diào)峰能力更強(qiáng)的3-10小時(shí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求變得更為強(qiáng)烈，2小時(shí)時(shí)長(zhǎng)的鋰電儲(chǔ)能已經(jīng)“力竭”，難以滿足4小時(shí)以上高峰時(shí)段的削峰填谷。于是，商業(yè)化程度最高的全釩液流電池恰恰能堪大任，在支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

 納米電燃料

      根據(jù)“較高端科普”公眾號(hào)，2022年8月5日，Influit Energy聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官John Katsoudas對(duì)外宣布：“我們創(chuàng)造了一種基于復(fù)合材料的新型液態(tài)電池，這種電池是一種納米流體，其中的納米顆粒是電池活性材料，我們稱之為納米電燃料（Nanoelectrofuel，NEF）。NEF使電車像燃油車一樣，通過(guò)在電池?fù)Q液站補(bǔ)液或換液，瞬時(shí)補(bǔ)足電量，解決續(xù)航焦慮！我們將所有的技術(shù)都融合在一起，創(chuàng)造出了世界上第一種可充電、安全的電動(dòng)燃料，而且這種燃料穩(wěn)定、安全、可循環(huán)、零排放以及可定制。”

      NEF的設(shè)計(jì)采用了Nanoelectrofuel—一種獨(dú)特的液體，其中微小的電池活性顆粒可永久懸浮，可在定制的液流電池中多次充電和放電。納米電燃料電池的運(yùn)行容量比傳統(tǒng)液流電池大得多，它還具有許多其他優(yōu)勢(shì)，其中包括熱安全性、成本更低、效率更高、靈活性和適應(yīng)性。高能量密度納米電燃料的使用為跨學(xué)科的科學(xué)探索提供了廣袤的空間，并有望徹底改變儲(chǔ)能現(xiàn)狀。

 3D打印電池

根據(jù)3D科學(xué)谷，傳統(tǒng)的電池制造具有顯著的局限性：能源使用和碳排放、工廠占地面積大、材料浪費(fèi)和效率低下、供應(yīng)鏈依賴性、無(wú)法定制電池形狀和尺寸、模具成本高、擴(kuò)張受限。

3D科學(xué)谷了解到通過(guò)本地化的超級(jí)工廠和規(guī)避常見(jiàn)供應(yīng)鏈問(wèn)題的生產(chǎn)模式，可持續(xù)地、經(jīng)濟(jì)高效地大批量生產(chǎn)電池，并具有更大的供應(yīng)鏈彈性。通過(guò)這種新穎的增材制造工藝生產(chǎn)電池，電池可以在國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)，以快速供應(yīng)面臨需求激增的行業(yè)，例如電動(dòng)汽車制造商。

電池的 3D 打印是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，具有很大的潛力，特別是在將廢舊材料回收到新能源設(shè)備方面。鑒于對(duì)電動(dòng)汽車、電腦、手機(jī)等的高需求，利用舊電池的材料進(jìn)行3D 打印新電池的能力對(duì)于維持目前的材料供應(yīng)可能至關(guān)重要。憑借增加的能量密度和緊湊、定制尺寸和形狀的額外好處，3D打印電池可能會(huì)改變?nèi)祟惿�產(chǎn)儲(chǔ)能產(chǎn)品的方式。

這其中，Sakuu 一直致力于通過(guò)3D打印制造最佳固態(tài)電池，用于電動(dòng)汽車和其他應(yīng)用。Sakuu的WO2019152531A1專利針對(duì)單片陶瓷電化學(xué)電池外殼，其中包含陽(yáng)極和陰極接收空間，以及兩者之間的隔板。這能夠帶來(lái)更高的充電率，而不會(huì)引發(fā)鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn)。這是對(duì)先前于2020年獲得的兩項(xiàng)電池專利，集成電池堆電池和單片固態(tài)電池的補(bǔ)充。這些結(jié)構(gòu)共同提高了固態(tài)電池的能量密度，同時(shí)不會(huì)影響穩(wěn)定性和壽命。

© Sakuu

     除了800Wh/L基準(zhǔn)外，目前測(cè)試的Sakuu第一代鋰金屬電池在200次循環(huán)后還表現(xiàn)出 97% 的高能量保持率。電池在保持無(wú)枝晶的同時(shí)，預(yù)計(jì)在循環(huán)完成后在800次循環(huán)中記錄80% 的保留率。同時(shí)，Sakuu正在努力使其增材制造 (AM) 系統(tǒng)能夠大規(guī)模生產(chǎn)這些電池。這家初創(chuàng)公司聲稱，其 SSB 可以比目前可用的鋰離子電池小 50%，輕 30%。不僅如此，Sakuu 還認(rèn)為他們可以以更低的成本進(jìn)行批量生產(chǎn)，同時(shí)由于3D打印技術(shù)在成形方面的自由度，帶來(lái)了定制形狀和尺寸等好處。

Sakuu預(yù)計(jì)其第二代全3D打印SSB的能量密度將再次大幅飛躍，樣品電池交付將于 2023 年初開(kāi)始。世界上第一款由Sakuu 的 Kavian™ 平臺(tái)誕生的 3D 打印電池將提供快速、大規(guī)模的交付能力，在超級(jí)工廠環(huán)境中批量生產(chǎn)電池，支持大規(guī)模、低成本3D打印電池制造。

Sakuu希望成為人類重塑可持續(xù)能源生產(chǎn)的一部分。Sakuu的使命是建立一個(gè)由變革性產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)的品牌，這些變革性產(chǎn)品可以為社會(huì)和環(huán)境變化留下有影響力的遺產(chǎn)。

更好的能量密度、可持續(xù)發(fā)展、熱安全性、成本更低、效率更高、靈活性和適應(yīng)性，液流電池、納米電燃料、3D打印電池，誰(shuí)將定義下一代電池？讓我們拭目以待！

參考資料：

1. 液流電池：儲(chǔ)能賽道的下一個(gè)寧德時(shí)代？/新華商學(xué)

2.突破！解決電車安全性和續(xù)航問(wèn)題！電車也能像加油一樣加液態(tài)納米燃料電池！

(責(zé)任編輯：admin)

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