新能源電池市場達千億美元，3D打印技術應用潛力如何？深圳大學劉長勇傾情報告
時間：2023-07-20 09:53 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：近期有大量用戶向南極熊索要電池3D打印的有關資料，希望了解里面的技術工藝和應用價值。我們整理放出部分PPT資料，希望可以引發更多的關注和思考。
2023年7月15日，第一屆電池3D打印大會在深圳大學成功舉行。這場由南極熊3D打印網、深圳大學增材制造研究所聯合主辦，清華大學深圳國際研究生院材料研究院、高能數造(西安)技術有限公司協辦的研討會，引起大量專業人士的關注，現場匯聚來自全國各地的100多位3D打印、大學、新能源、投資等領域的嘉賓，進行了一場輕松而又充滿干貨的交流。
在本次研討會上，深圳大學增材制造研究所劉長勇副教授作了專題報告，介紹了“3D打印鋰離子電池發展現狀及未來趨勢”（文末可下載PPT、可觀看報告視頻），本文來回顧一下劉長勇副教授報告的主要內容。
根據相關數據的預測，2022年至2030年鋰離子電池的總容量將從700 GWh增長至4700 GWh，市場規模將從850億美元增長至4000億美元，具有良好的未來前景。鋰電池目前已經被廣泛用于消費電子、新能源汽車、工業儲能等領域。
現有鋰離子電池技術
從技術的角度來講，鋰電池的關鍵技術包含三個方面：材料體系、電池結構、制造工藝。
目前，常用的鋰電池材料體系正極主要就是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰，還有鎳鈷錳、鎳鈷鋁的三元材料，負極主要是石墨，現在高容量的硅碳也開始商業化，還有安全性比較好的鈦酸鋰，這些是當前商業化應用比較多的材料。不同的電池廠商對材料體系的理解是不一樣的，比亞迪走的是磷酸鐵鋰材料體系，寧德時代走的是三元材料體系，它們在市場上都有存在的空間。
電池里面牽扯很多的材料，要有一個合適的化學體系，然后做成一個理想的電池的結構，把它設計合理了，電池才有比較好的性能。
電池結構方面，一般是在鋁箔的正反面涂上正極材料，銅箔的正反面都涂上負極材料，最后與隔膜一起一層一層疊起來制作成電池。銅箔、鋁箔起的作用就是把活性材料產生的電流給收集起來，起到集流體的作用。目前，涂的活性材料厚度小于100微米，如果涂的太厚會影響充放電的速度。因此，制作一個電池需要用到大量的銅箔和鋁箔，嚴重影響電池的能量密度：
為了提高電池的能量密度，目前大家共同的技術路線是用更薄的集流體，減少其所占的體積和質量，現在集流體做到6微米，隔膜也更薄做到10微米，然后再把電芯做大，就意味著電池的外殼封裝的體積在整個電池中的占比減小了：
特斯拉4680電池：直徑46mm高度80mm
比亞迪刀片電池：905mm*118mm*13.5mm
電池中有集流體把電流收集起來，有正極、有隔膜、有負極、有電解質，這些材料實際上性能差異很大。不同的材料體系，帶來的能量密度、安全性等都不一樣。
鋰金屬全固態電池等新技術，雖然現在還沒有商用，但是這些都是未來的重要方向。
3D打印如何賦能電池制造？
3D打印可以這樣賦能電池制造：
那么，鋰電池究竟和3D打印之間如何產生結合點？那邊，先來看看常用的3D打印技術包括：漿料直寫、噴墨打印、光聚合打印、熔融擠出、粘結劑噴射、激光選區燒結、氣溶膠3D打印等。
兩者之間的結合，可以追溯到2013年，當時哈佛大學發表了一篇論文，科研人員使用漿料直寫3D打印技術，制作了一個電池的原型，此后全球眾多科研機構和企業開始了3D打印鋰電池方面的研究。
可以用3D打印技術來做電極的結構創新，或者叫電池的構型創新。以往的時候電極很薄，要用大量的鋁箔銅箔集流體。如果讓電量有效載荷比例變大，那么就可以提高能量密度。但是它做厚了之后，實際上鋰離子擴展很慢，半天走不出來，來不及，所以可以把電極創新一下。比如說在里面修一個通道，然后電子離子可以很快從通道里面過去，或者說把疊在一起的構型，通過交叉，讓電極離子橫向擴散，就不需要跑那么遠了，只需要在附近跑就行了。
在過去十年的研究中，人們嘗試了各種不同的3D打印技術來制作電池。
其中，光固化3D打印技術用于鋰電池制造，有四種方式：
1. 光固化制備凝膠態聚合物電解質；
2. 光固化打印光敏樹脂+高溫裂解獲得碳晶格；
3. 光固化打印光敏樹脂前驅體+高溫煅燒獲得三維電極；
4. 光固化打印含活性材料光敏樹脂獲得三維電極。
FDM 3D打印技術用于鋰電池制造，一般是將石墨烯、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰等電池材料，混入PLA、TPU等高分子材料中，然后通過FDM 3D打印機來打印成型，獲得電極結構，再想辦法去除其中的高分子材料。
SLS激光燒結技術則曾被用于Ni-Co-Al三元材料的3D打印，使用1KW光纖激光器（1070nm）進行燒結。
粘結劑噴射技術，實際上有點像常規的電池材料體系，也是將活性材料、粘結劑、導電劑混合，然后通過粘接機噴射方式來打印成型。怎么能夠用這個技術把多材料多功能的復雜部件能夠給它做出來，這是一個很大的挑戰。
目前，用的最廣的還是漿料直寫這種3D打印技術，常規的電池制造也是將電極材料做成漿料，然后進行涂布。而現在是通過3D打印的方式把它擠出來，從而控制其形狀結構。漿料直寫這種技術對于材料的適用性最廣，科研領域大家基本上都在用這種方法，但這種方法也存在很多問題，比如打印精度和效率方面還不是特別高。
另外一種方式是金屬3D打印，將銅、鋁等直接打印成晶格結構，作為集流體，然后將活性材料灌進去，成為電極。鋁合金、銅合金輕量化點陣結構作為負載活性物質的三維集流體。
最后一種叫氣溶膠噴射的技術，國外有這方面的研究，曾經被用來打印磷酸鐵鋰、鈦酸鋰，還可以打印在曲面上面。
以上就是過去十年，科研人員在探索怎么能夠用3D打印的方式來制作電池的一些思路和取得的成果。未來3D打印該如何賦能電池制造？劉長勇總結了五個方面：
●3D打印賦能電極結構/電池構型創新
●3D打印促進電池原型快速研發
●3D打印個性化/異形電池快速制造
●面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
●3D打印賦能結構/電池/電路曲面共形設計
3D打印電池做原型驗證，然后到批量化的時候還是傳統工藝，批量化的時候它又存在制造問題。實際上我們現在3D打印電池，沒辦法反映任何傳統工藝制造中存在的問題，開發一個新品種的電池，它存在的制造問題仍然要解決一遍，這點會阻礙廠商去用3D打印技術來制造電池。
很多軍工上的產品，尤其是飛機，它前面是一個雷達天線罩，要在一個曲面上要把結構件、電路、天線很多東西都要集成，如果可以做到這種結構電池電路，全面都是曲面共形這種設計的話，將是非常有潛力的一種技術，當然這個是很難解決的，我以前也想過這個問題，但是并沒有很好的方案。
實際上，從2017年開始，深圳大學增材制造研究所就開始研究鋰電池3D打印，并獲得了國家自然科學基金的支持。劉長勇表示，實驗室基于之前研發的低溫3D生物打印技術，進一步研發了可用于鋰電池3D打印的低溫直寫設備，可以打印各種各樣的電極并發表了諸多相關論文。
3D打印鋰離子電池發展現狀及未來趨勢：下載地址https://www.nanjixiong.com/thread-163655-1-1.html
電池3D打印的未來
主題報告完畢后，進入了開放式交流環節，在南極熊的主持下，現場與會人員就很多核心問題進行了輕松自由的交流。
交流的問題包括：
新能源電池的制造有什么痛點？有哪些是3D打印適合應用的？
投資機構如何看待電池3D打印這個新興領域
什么樣的技術路線能達標質量要求？
什么樣的技術路線可以達到批量化生產要求？
產業化應用，有哪些技術難點？
量產達標，各個路線怎么控制，達到量產/成本/效率的平衡？
這是一場非常具有前瞻性的大會。讓南極熊印象深刻的是，來參加會議的多數嘉賓，全程都在非常認真得聆聽，居然極少中途上廁所；由于干貨內容信息量大，甚至還有不少人做了好幾頁的筆記，都希望可以更早地看見新能源電池產業結合3D打印技術的未來。
南極熊希望，可以通過本次大會，啟發一部分人去關注、去研究、甚至去從事電池3D打印的相關工作，結合新能源這個萬億級市場的大領域，做出突破。
2023年7月15日，第一屆電池3D打印大會在深圳大學成功舉行。這場由南極熊3D打印網、深圳大學增材制造研究所聯合主辦，清華大學深圳國際研究生院材料研究院、高能數造(西安)技術有限公司協辦的研討會，引起大量專業人士的關注，現場匯聚來自全國各地的100多位3D打印、大學、新能源、投資等領域的嘉賓，進行了一場輕松而又充滿干貨的交流。
在本次研討會上，深圳大學增材制造研究所劉長勇副教授作了專題報告，介紹了“3D打印鋰離子電池發展現狀及未來趨勢”（文末可下載PPT、可觀看報告視頻），本文來回顧一下劉長勇副教授報告的主要內容。
△深圳大學副教授 劉長勇
從技術的角度來講，鋰電池的關鍵技術包含三個方面：材料體系、電池結構、制造工藝。
目前，常用的鋰電池材料體系正極主要就是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰，還有鎳鈷錳、鎳鈷鋁的三元材料，負極主要是石墨，現在高容量的硅碳也開始商業化，還有安全性比較好的鈦酸鋰，這些是當前商業化應用比較多的材料。不同的電池廠商對材料體系的理解是不一樣的，比亞迪走的是磷酸鐵鋰材料體系，寧德時代走的是三元材料體系，它們在市場上都有存在的空間。
電池里面牽扯很多的材料，要有一個合適的化學體系，然后做成一個理想的電池的結構，把它設計合理了，電池才有比較好的性能。
電池結構方面，一般是在鋁箔的正反面涂上正極材料，銅箔的正反面都涂上負極材料，最后與隔膜一起一層一層疊起來制作成電池。銅箔、鋁箔起的作用就是把活性材料產生的電流給收集起來，起到集流體的作用。目前，涂的活性材料厚度小于100微米，如果涂的太厚會影響充放電的速度。因此，制作一個電池需要用到大量的銅箔和鋁箔，嚴重影響電池的能量密度：
-
電極厚度小于100 μm
-
使用大量集流體（鋁箔和銅箔）
-
使用大量隔膜（聚乙烯）
為了提高電池的能量密度，目前大家共同的技術路線是用更薄的集流體，減少其所占的體積和質量，現在集流體做到6微米，隔膜也更薄做到10微米，然后再把電芯做大，就意味著電池的外殼封裝的體積在整個電池中的占比減小了：
-
更薄的集流體（薄至6 μm）
-
更薄的隔膜（薄至10 μm）
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更大的單體電芯尺寸
特斯拉4680電池：直徑46mm高度80mm
比亞迪刀片電池：905mm*118mm*13.5mm
鋰金屬全固態電池等新技術，雖然現在還沒有商用，但是這些都是未來的重要方向。
3D打印如何賦能電池制造？
-
3D打印賦能電極結構/電池構型創新
-
3D打印促進電池原型快速研發
-
3D打印個性化/異形電池快速制造
-
面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
-
3D打印賦能結構/電池/電路曲面共形設計
那么，鋰電池究竟和3D打印之間如何產生結合點？那邊，先來看看常用的3D打印技術包括：漿料直寫、噴墨打印、光聚合打印、熔融擠出、粘結劑噴射、激光選區燒結、氣溶膠3D打印等。
在過去十年的研究中，人們嘗試了各種不同的3D打印技術來制作電池。
其中，光固化3D打印技術用于鋰電池制造，有四種方式：
1. 光固化制備凝膠態聚合物電解質；
2. 光固化打印光敏樹脂+高溫裂解獲得碳晶格；
3. 光固化打印光敏樹脂前驅體+高溫煅燒獲得三維電極；
4. 光固化打印含活性材料光敏樹脂獲得三維電極。
FDM 3D打印技術用于鋰電池制造，一般是將石墨烯、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰等電池材料，混入PLA、TPU等高分子材料中，然后通過FDM 3D打印機來打印成型，獲得電極結構，再想辦法去除其中的高分子材料。
SLS激光燒結技術則曾被用于Ni-Co-Al三元材料的3D打印，使用1KW光纖激光器（1070nm）進行燒結。
粘結劑噴射技術，實際上有點像常規的電池材料體系，也是將活性材料、粘結劑、導電劑混合，然后通過粘接機噴射方式來打印成型。怎么能夠用這個技術把多材料多功能的復雜部件能夠給它做出來，這是一個很大的挑戰。
另外一種方式是金屬3D打印，將銅、鋁等直接打印成晶格結構，作為集流體，然后將活性材料灌進去，成為電極。鋁合金、銅合金輕量化點陣結構作為負載活性物質的三維集流體。
最后一種叫氣溶膠噴射的技術，國外有這方面的研究，曾經被用來打印磷酸鐵鋰、鈦酸鋰，還可以打印在曲面上面。
以上就是過去十年，科研人員在探索怎么能夠用3D打印的方式來制作電池的一些思路和取得的成果。未來3D打印該如何賦能電池制造？劉長勇總結了五個方面：
●3D打印賦能電極結構/電池構型創新
●3D打印促進電池原型快速研發
●3D打印個性化/異形電池快速制造
●面向智能穿戴的3D打印柔性電池制造
●3D打印賦能結構/電池/電路曲面共形設計
△通過3D打印來制作厚電極，從而提高活性材料的占比，通過電池構型創新來提高能量密度
△將涂布的平面電極轉換為3D打印的三維結構電極
△用于電池原型的3D打印驗證
3D打印電池做原型驗證，然后到批量化的時候還是傳統工藝，批量化的時候它又存在制造問題。實際上我們現在3D打印電池，沒辦法反映任何傳統工藝制造中存在的問題，開發一個新品種的電池，它存在的制造問題仍然要解決一遍，這點會阻礙廠商去用3D打印技術來制造電池。
△形狀/結構/尺寸可定制化電池；為產品優化帶來更多的可能性
△面向可穿戴應用的3D打印柔性電池制造
△3D打印賦能結構/電池/電路曲面共形設計
很多軍工上的產品，尤其是飛機，它前面是一個雷達天線罩，要在一個曲面上要把結構件、電路、天線很多東西都要集成，如果可以做到這種結構電池電路，全面都是曲面共形這種設計的話，將是非常有潛力的一種技術，當然這個是很難解決的，我以前也想過這個問題，但是并沒有很好的方案。
實際上，從2017年開始，深圳大學增材制造研究所就開始研究鋰電池3D打印，并獲得了國家自然科學基金的支持。劉長勇表示，實驗室基于之前研發的低溫3D生物打印技術，進一步研發了可用于鋰電池3D打印的低溫直寫設備，可以打印各種各樣的電極并發表了諸多相關論文。
3D打印鋰離子電池發展現狀及未來趨勢：下載地址https://www.nanjixiong.com/thread-163655-1-1.html
電池3D打印的未來
主題報告完畢后，進入了開放式交流環節，在南極熊的主持下，現場與會人員就很多核心問題進行了輕松自由的交流。
交流的問題包括：
新能源電池的制造有什么痛點？有哪些是3D打印適合應用的？
投資機構如何看待電池3D打印這個新興領域
什么樣的技術路線能達標質量要求？
什么樣的技術路線可以達到批量化生產要求？
產業化應用，有哪些技術難點？
量產達標，各個路線怎么控制，達到量產/成本/效率的平衡？
這是一場非常具有前瞻性的大會。讓南極熊印象深刻的是，來參加會議的多數嘉賓，全程都在非常認真得聆聽，居然極少中途上廁所；由于干貨內容信息量大，甚至還有不少人做了好幾頁的筆記，都希望可以更早地看見新能源電池產業結合3D打印技術的未來。
南極熊希望，可以通過本次大會，啟發一部分人去關注、去研究、甚至去從事電池3D打印的相關工作，結合新能源這個萬億級市場的大領域，做出突破。
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