2021年2月10日,南極熊獲悉,來自加州理工學(xué)院(Caltech)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法。

研究人員利用DLP 3D打印技術(shù),制造出復(fù)雜的聚合物結(jié)構(gòu),然后通過熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結(jié)構(gòu)分別被證明可以作為陽極和陰極使用,并稱具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學(xué)院研究生Kai Narita解釋說:"已知聚合物的熱解會導(dǎo)致碳的形成。我們的方法利用這一現(xiàn)象來制造3D打印碳材料。我們使用一種市售的光刻膠與DLP數(shù)字光處理工藝打印來創(chuàng)建3D聚合物結(jié)構(gòu),然后在1000?C的溫度下熱解,將其轉(zhuǎn)化為碳的結(jié)構(gòu)。"

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來,鋰離子電池已成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的一部分,為從消費(fèi)電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動(dòng)力。因此,在電化學(xué)領(lǐng)域,有大量的研究專門針對提高儲能設(shè)備的容量,同時(shí)使其更小、更便宜、更快充電。

除了可以讓我們的手機(jī)續(xù)航更長之外,更好的電池對氣候變化也有重大影響,因?yàn)樗鼈兛梢詭椭鷾p少對化石燃料的依賴,而促進(jìn)可再生能源的使用。遺憾的是,電動(dòng)汽車以及風(fēng)能和太陽能電網(wǎng)儲能等應(yīng)用,即使是最前沿的技術(shù),也仍然受到目前能量密度和充電速率的限制。

在傳統(tǒng)的平面電極鋰離子電池中,能量密度(可存儲的能量量)和功率密度(能量釋放率)往往是耦合的。例如,增加電極的質(zhì)量將增加其能量密度,但由于電極厚度的增加,離子和電子被迫在放電前移動(dòng)更多的距離,從而降低其功率密度。如果將這種關(guān)系解耦,儲能設(shè)備的能量密度和功率密度都可以同時(shí)提高。這就是3D打印的作用。

△3D打印碳電極的SEM成像,圖片來自加州理工學(xué)院

3D打印幫了大忙

雖然近年來3D打印實(shí)際上已經(jīng)開始探索應(yīng)用,但之前的嘗試主要依靠納米油墨擠出,這并不適合高分辨率的零件。而光聚合則解決了分辨率的問題,但由于它是基于聚合物化學(xué)的,所以通常與電極材料不兼容。

△3D打印的碳電極層特寫,圖片來自加州理工學(xué)院

利用DLP-熱解技術(shù),加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)烧叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極。由于這項(xiàng)技術(shù)能夠打印出厚厚的電極結(jié)構(gòu)與微觀和納米大小的子結(jié)構(gòu),為高性能電池生產(chǎn)的新方法鋪平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授總結(jié)道:"創(chuàng)建3D打印電極,并對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸以及材料進(jìn)行完全控制,使我們更加接近可擴(kuò)展的、可靠的固態(tài)電池制造方法,這種方法安全、機(jī)械堅(jiān)固、高效。"

更多的研究細(xì)節(jié)可參見《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

《3D打印固態(tài)電池:能量密度提高1倍,充電速度提高6倍,下一代電動(dòng)汽車技術(shù)》

南極熊導(dǎo)讀:3D打印固態(tài)電池在2021年即將在德國量產(chǎn)!能量密度提高1倍,充電速度提高6倍!優(yōu)先配套德國龐大的汽車制造業(yè)。寶馬/奔馳/大眾/奧迪/保時(shí)捷等廠商,在電動(dòng)汽車時(shí)代有翻身的機(jī)會嗎?

2021年1月,南極熊3D打印網(wǎng)獲悉,瑞士Blackstone Resources(黑石資源 )公司的專有3D打印鋰離子固態(tài)電池技術(shù),取得了一系列重要的突破。它一直通過德國子公司Blackstone Technology GmbH投資于下一代電池技術(shù)。包括獲得專利的3D打印技術(shù)和對電池批量生產(chǎn)的研究。恰好的是,德國是全球3D打印技術(shù)最為發(fā)達(dá)的國家之一。

與目前的鋰離子電池技術(shù)相比,3D打印固態(tài)電池具有將能量密度提高一倍,制造成本降低一半的潛力。

3D打印固態(tài)電池的比較優(yōu)勢

當(dāng)前最先進(jìn)的電池生產(chǎn)面臨的一些弱點(diǎn):

不夠靈活,無法支持必須與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相匹配的組件設(shè)計(jì)

它仍然太昂貴(目標(biāo):<80US $ / kWh)

不適用于未來的設(shè)計(jì),例如全固態(tài)電池

提供的能量密度仍然太低(目標(biāo):600英里且> 300Wh / kg)

原材料仍然不安全

碳排放仍然太高

△3D打印的“多孔”電極可提高能量密度。

可以將電極中的材料打印成三維晶格結(jié)果。晶格意味著電極具有更大的暴露表面積,增大化學(xué)反應(yīng)面積,電池效率更高。另外,3D打印電池模塊不需要多余的物質(zhì)即可以實(shí)現(xiàn)一體化。想象一下,特斯拉85kWh電池組由7104個(gè)電池組成,將7104塊電池粘合在一起的膠水和電線的重量相當(dāng)大了。但是如果這些變成是增材制造過程的一部分,而不是多余的材料,能量密度將大大提高。

與使用液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)電池設(shè)計(jì)相比,Blackstone Technology的3D打印工藝具有明顯的優(yōu)勢。顯著降低成本,提高電池尺寸的生產(chǎn)靈活性,可以不依賴電極化學(xué)性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)。

△3D打印固態(tài)電池生產(chǎn)工作流程

Blackstone的3D打印固態(tài)電池技術(shù),解決了這些弱點(diǎn):

3D打印鋰離子電池生產(chǎn)已經(jīng)成熟,且有專利,在生產(chǎn)過程中可提供最大的靈活性;

可節(jié)省30%的CAPEX和10%的OPEX,而采用固態(tài)技術(shù)時(shí),可節(jié)省70%的CAPEX和30%的OPEX;

世界上第一個(gè)3D打印生產(chǎn)工藝,可以批量生產(chǎn)固態(tài)電池;

可將能量密度提高20%,用固態(tài)技術(shù)時(shí)可提高100%;

利用自身資源來縮短供應(yīng)鏈,并確保長期獲取電池材料;

通過將干燥過程減少50%,可將能源消耗降低25%,這是電池組電池最重要的制造成本——占總能源成本的45%至57%。

△世界上第一個(gè)使用印刷電極的功能性電池已通過測試

黑石技術(shù)有限公司CEO霍爾格·格里茨卡(Holger Gritzka)表示:“我們迄今為止在3D打印電池技術(shù)方面的發(fā)展,為固態(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路。除了汽車工業(yè)等主要市場之外,船舶應(yīng)用和新型5G無線網(wǎng)絡(luò)也將會受益于3D打印固態(tài)電池的優(yōu)勢?！?/p>

△特斯拉的股價(jià)已經(jīng)漲得高到了火星,市值達(dá)8000億美元,是寶馬+奔馳+大眾等一批傳統(tǒng)汽車廠商市值的總和還高

埃隆·馬斯克(Elon Musk)承認(rèn)獲得下一代電池技術(shù)以及生產(chǎn)這些電池所需的原材料的重要性。即使采用減少電池材料量的新技術(shù),電動(dòng)汽車的需求也可能很快超過這些車輛所需的電池材料量。

馬斯克預(yù)計(jì),下一代電池將使用更少的電池金屬(例如鈷),而使用更多的鎳和鋰。實(shí)際上,隨著特斯拉與大型汽車制造商的入局,所有這些金屬的需求可能會大幅增加,大型汽車制造商也開始推出電動(dòng)汽車,并計(jì)劃把全部汽車都電動(dòng)化。

3D打印固態(tài)電池正在量產(chǎn)

Blackstone Resources開發(fā)并測試了3D打印電池,獲得歐洲“地平線2020”計(jì)劃資助,在電池密度,充電周期和成本方面均取得了顯著成績。這家瑞士公司還開發(fā)了一種工作流程,可使用專有的電池打印技術(shù)在2021年以各種形狀或形式來批量生產(chǎn)這些電池,充電速度最大可以提高大約六倍。

2020年11月,黑石在德國德貝恩鎮(zhèn)薩克森州的Am Fuchsloch工業(yè)園區(qū)開設(shè)了第一家3D打印電池生產(chǎn)工廠,配套德國的汽車制造業(yè),將大量生產(chǎn)用于工業(yè)應(yīng)用以及電動(dòng)汽車的下一代電池。首期工廠的生產(chǎn)能力將達(dá)到每年0．5 GWh。

相關(guān)知情人告訴南極熊3D打印網(wǎng),首批固態(tài)電池原型已經(jīng)過測試,3D打印大量生產(chǎn)所需的許多電池復(fù)合材料、外殼和固態(tài)電解質(zhì)。在開發(fā)和測試了這項(xiàng)技術(shù)之后,Blackstone準(zhǔn)備計(jì)劃生產(chǎn)3D打印的固態(tài)電池。這會改變固態(tài)電池的發(fā)展。自動(dòng)化3D打印生產(chǎn)工藝,比傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)工藝減少了70%的固定投資。固態(tài)電池也更安全,不使用對環(huán)境更有害的易燃液體電解質(zhì)。

除黑石集團(tuán)外,現(xiàn)在還有眾多公司爭相角逐下一代電池技術(shù)。在下一代技術(shù)(包括固態(tài)電池和新的先進(jìn)制造技術(shù))方面,這些公司可能會擊敗特斯拉。

利用3D打印工藝技術(shù),美國Keracel能夠?qū)⑻沾呻娊赓|(zhì)厚度降低到100um,長期目標(biāo)是達(dá)到15um。這些技術(shù)進(jìn)步將使Keracel陶瓷電池能夠提供1200Wh/L的能量密度,這大約是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的兩倍,并且能夠滿足工業(yè)和汽車企業(yè)應(yīng)用中高倍率需要。

當(dāng)然,對于特斯拉來說,因?yàn)楣蓛r(jià)高,資本充足,可以通過有針對性的收購迅速加快步伐。