電動汽車是未來交通工具的發(fā)展趨勢，其制造的核心則是電池。然而，目前制造電池的工藝方法卻限制了電池性能的提高。photocentric公司表示，通過光聚合技術(shù)進行3D打印制造電池，可以精確控制電池電極結(jié)構(gòu)，為電動汽車等行業(yè)打開了新的電池幾何結(jié)構(gòu)和更輕的電池組的大門。

■傳統(tǒng)的電池電極是由加工工藝制造完成的，3D打印電極的工藝拓寬了電池和電池組幾何形狀的設(shè)計可能性，并且可以獲得更好的能量密度和性能。（圖片來源：Photocentric）

電池電極通常是通過將活性材料攪拌成漿狀，然后澆注到薄片上，通過碾壓和分切形成袋狀或紐扣狀的電池單元，然后將這些電池單元排列到一個矩形或圓柱形的外殼中。用這種方法制造儲電量更大的電池需要更厚的電極，并將這些電極堆疊在一起，但這可能會導(dǎo)致開裂。因此，追求更好的性能可能導(dǎo)致產(chǎn)生更重、更大的電池組，卻無法為特定產(chǎn)品提供最佳效率及能量范圍。

“這樣的制造工藝會使得電池的設(shè)計缺乏靈活性?！闭谘芯拷鉀Q方案的photocentric公司的化學(xué)主管薩拉·卡梅爾（Sarah Karmel）說。這家總部位于英國彼得堡的立體光刻式3D打印機供應(yīng)商目前正在探索3D打印電極的技術(shù)，致力于將其應(yīng)用在電動汽車和其他需要電池供電的產(chǎn)品——例如無人機。增材制造的電極可以做成任何形狀和配置，為制造充電速度更快、重量更輕的電動汽車開啟了新的大門，以此實現(xiàn)更好的續(xù)航里程——這將有助于克服長期限制電動汽車發(fā)展的不利因素。

3D打印可優(yōu)化電池電極結(jié)構(gòu)

增材制造給傳統(tǒng)行業(yè)和應(yīng)用帶來了幾何形狀設(shè)計上的自由：試想一下，一個噴氣燃料噴嘴現(xiàn)在只有1個零部件，而不是由20個零件組成；或者一個電動汽車的結(jié)構(gòu)部件，重量只有傳統(tǒng)形狀和焊接工藝前一步驟時的一半。3D打印電池可為其帶來幾何形狀的自由，允許電池和電池組的設(shè)計更適應(yīng)汽車的設(shè)計，而不是強迫汽車在設(shè)計時只能適應(yīng)傳統(tǒng)的電池組的形狀，這將會為電動汽車的設(shè)計帶來新的可能。

卡梅爾認為電動汽車電池的靈活性并不局限于電池或電池組的整體形狀，電極本身，也就是一起組成電池單元的陽極和陰極的設(shè)計中也有新的機會。通過與仿真技術(shù)公司的合作，Photocentric正在學(xué)習(xí)設(shè)計采用3D打印技術(shù)優(yōu)化的電極架構(gòu)，這在以前是不可能實現(xiàn)的。

■傳統(tǒng)的電池電極結(jié)構(gòu)（左）限制了陽極和陰極的可能配置方式；3D打印架構(gòu)（右）可進行創(chuàng)新設(shè)計，例如通過電極交叉堆疊增加能量密度

“電極可以用一種不同的方式協(xié)同工作。”卡梅爾說道。這些新架構(gòu)的電池占據(jù)的面積更小、幾何形狀更靈活，可以電池的能量密度變得更高。例如，陽極和陰極可以插疊起來，從而獲得比堆疊配置的電池能量密度更高、效率更高的電池。

3D打印工藝可以改變電極的微觀結(jié)構(gòu)以獲得更好的性能：微觀孔隙率引入了離子游離的路徑，從而使離子流量和體積能量密度增加，因此，更小、更輕的電池也可獲得相同的電量。該電池可以有更多的配置，以精確地適應(yīng)汽車或者其他應(yīng)用。

■更多的孔為離子提供更多的通道，這有助于增加電池電極的能量密度

用光聚合技術(shù)制造電池

這些3D打印電池的過程類似于用光聚合過程制造任何其他產(chǎn)品：電極使用專有的光聚樹脂進行3D打印——該樹脂常用于商業(yè)電極粉末和導(dǎo)電添加劑的粘合劑；然后將綠色打印的零件部分清洗和固化，并進行脫脂和燒結(jié)以除去聚合物，只留下活性電極材料。Photocentric已經(jīng)為3D打印電池開發(fā)了一個獨立的系統(tǒng)，零件從打印到清洗和后處理可自動運行，避免了污染或損壞精密電極的風(fēng)險。

3D打印電池項目對電動汽車產(chǎn)生影響與Photocentric公司對自身運營可持續(xù)性的追求相吻合。Photocentric 3D打印機依靠可見光而不是紫外光來固化光聚合物部件——這一因素意味著機器運行時消耗的能量更少。來自可再生資源和回收利用的新的可持續(xù)材料的研究也在進行中。

■Photocentric 3D打印機

到目前為止，該公司正在研究包括鋰鈷氧化物（LCO）和鈦酸鋰（LTO）在內(nèi)的電極材料?？窢柋硎?，該3D打印平臺與材料無關(guān)，其也可以支持其他已有的電池化學(xué)物質(zhì)。Photocentric公司目前的目標(biāo)是尋找能夠提供最佳化學(xué)材料和最有用的幾何圖形設(shè)計的行業(yè)合作伙伴，并在汽車上展示其3D打印電池技術(shù)。

“我們可以在實驗室中打印出可以工作的電池，但現(xiàn)在的問題是，它在實際設(shè)備中運行的性能如何。”卡梅爾說道。如果在實際設(shè)備中運行成功，3D打印電池電極可以為更輕的電動車奠定基礎(chǔ)，在不改變電池組的大小的情況下提供更好的續(xù)航里程；或者為汽車提供更容易塑形及配置的小的電池組，但可以提供與當(dāng)今大型重電池組相同的續(xù)航里程。更好的電池性能可以提高電動汽車的使用率，從而推動可持續(xù)發(fā)展的交通方式走向下一個進程。