2021年2月10日,南极熊获悉,来自加州理工学院(Caltech)的研究团队开发了一种3D打印锂离子电池电极的新方法。

研究人员利用DLP 3D打印技术,制造出复杂的聚合物结构,然后通过热后处理转化为有用的电极材料。最终的碳和钴氧化锂结构分别被证明可以作为阳极和阴极使用,并称具有优异的电池性能和稳定性。

加州理工学院研究生Kai Narita解释说:"已知聚合物的热解会导致碳的形成。我们的方法利用这一现象来制造3D打印碳材料。我们使用一种市售的光刻胶与DLP数字光处理工艺打印来创建3D聚合物结构,然后在1000?C的温度下热解,将其转化为碳的结构。"

锂离子电池的局限性

自50年前发明以来,锂离子电池已成为现代人类生活中不可或缺的一部分,为从消费电子产品到军用卫星等各种产品提供动力。因此,在电化学领域,有大量的研究专门针对提高储能设备的容量,同时使其更小、更便宜、更快充电。

除了可以让我们的手机续航更长之外,更好的电池对气候变化也有重大影响,因为它们可以帮助减少对化石燃料的依赖,而促进可再生能源的使用。遗憾的是,电动汽车以及风能和太阳能电网储能等应用,即使是最前沿的技术,也仍然受到目前能量密度和充电速率的限制。

在传统的平面电极锂离子电池中,能量密度(可存储的能量量)和功率密度(能量释放率)往往是耦合的。例如,增加电极的质量将增加其能量密度,但由于电极厚度的增加,离子和电子被迫在放电前移动更多的距离,从而降低其功率密度。如果将这种关系解耦,储能设备的能量密度和功率密度都可以同时提高。这就是3D打印的作用。

△3D打印碳电极的SEM成像,图片来自加州理工学院

3D打印帮了大忙

虽然近年来3D打印实际上已经开始探索应用,但之前的尝试主要依靠纳米油墨挤出,这并不适合高分辨率的零件。而光聚合则解决了分辨率的问题,但由于它是基于聚合物化学的,所以通常与电极材料不兼容。

△3D打印的碳电极层特写,图片来自加州理工学院

利用DLP-热解技术,加州理工学院的团队能够将两者的优点结合起来,用电极材料生产高分辨率的电极。由于这项技术能够打印出厚厚的电极结构与微观和纳米大小的子结构,为高性能电池生产的新方法铺平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授总结道:"创建3D打印电极,并对结构设计、尺寸以及材料进行完全控制,使我们更加接近可扩展的、可靠的固态电池制造方法,这种方法安全、机械坚固、高效。"

更多的研究细节可参见《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

《3D打印固态电池:能量密度提高1倍,充电速度提高6倍,下一代电动汽车技术》

南极熊导读:3D打印固态电池在2021年即将在德国量产!能量密度提高1倍,充电速度提高6倍!优先配套德国庞大的汽车制造业。宝马/奔驰/大众/奥迪/保时捷等厂商,在电动汽车时代有翻身的机会吗?

2021年1月,南极熊3D打印网获悉,瑞士Blackstone Resources(黑石资源 )公司的专有3D打印锂离子固态电池技术,取得了一系列重要的突破。它一直通过德国子公司Blackstone Technology GmbH投资于下一代电池技术。包括获得专利的3D打印技术和对电池批量生产的研究。恰好的是,德国是全球3D打印技术最为发达的国家之一。

与目前的锂离子电池技术相比,3D打印固态电池具有将能量密度提高一倍,制造成本降低一半的潜力。

3D打印固态电池的比较优势

当前最先进的电池生产面临的一些弱点:

不够灵活,无法支持必须与产品设计相匹配的组件设计

它仍然太昂贵(目标:<80US $ / kWh)

不适用于未来的设计,例如全固态电池

提供的能量密度仍然太低(目标: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”电极可提高能量密度。

可以将电极中的材料打印成三维晶格结果。晶格意味着电极具有更大的暴露表面积,增大化学反应面积,电池效率更高。另外,3D打印电池模块不需要多余的物质即可以实现一体化。想象一下,特斯拉85kWh电池组由7104个电池组成,将7104块电池粘合在一起的胶水和电线的重量相当大了。但是如果这些变成是增材制造过程的一部分,而不是多余的材料,能量密度将大大提高。

与使用液体电解质的传统电池设计相比,Blackstone Technology的3D打印工艺具有明显的优势。显著降低成本,提高电池尺寸的生产灵活性,可以不依赖电极化学性质而实现这些优点。

△3D打印固态电池生产工作流程

Blackstone的3D打印固态电池技术,解决了这些弱点:

3D打印锂离子电池生产已经成熟,且有专利,在生产过程中可提供最大的灵活性;

可节省30%的CAPEX和10%的OPEX,而采用固态技术时,可节省70%的CAPEX和30%的OPEX;

世界上第一个3D打印生产工艺,可以批量生产固态电池;

可将能量密度提高20%,用固态技术时可提高100%;

利用自身资源来缩短供应链,并确保长期获取电池材料;

通过将干燥过程减少50%,可将能源消耗降低25%,这是电池组电池最重要的制造成本——占总能源成本的45%至57%。

△世界上第一个使用印刷电极的功能性电池已通过测试

黑石技术有限公司CEO霍尔格·格里茨卡(Holger Gritzka)表示:“我们迄今为止在3D打印电池技术方面的发展,为固态电池的大规模生产铺平了道路。除了汽车工业等主要市场之外,船舶应用和新型5G无线网络也将会受益于3D打印固态电池的优势。”

△特斯拉的股价已经涨得高到了火星,市值达8000亿美元,是宝马+奔驰+大众等一批传统汽车厂商市值的总和还高

埃隆·马斯克(Elon Musk)承认获得下一代电池技术以及生产这些电池所需的原材料的重要性。即使采用减少电池材料量的新技术,电动汽车的需求也可能很快超过这些车辆所需的电池材料量。

马斯克预计,下一代电池将使用更少的电池金属(例如钴),而使用更多的镍和锂。实际上,随着特斯拉与大型汽车制造商的入局,所有这些金属的需求可能会大幅增加,大型汽车制造商也开始推出电动汽车,并计划把全部汽车都电动化。

3D打印固态电池正在量产

Blackstone Resources开发并测试了3D打印电池,获得欧洲“地平线2020”计划资助,在电池密度,充电周期和成本方面均取得了显著成绩。这家瑞士公司还开发了一种工作流程,可使用专有的电池打印技术在2021年以各种形状或形式来批量生产这些电池,充电速度最大可以提高大约六倍。

2020年11月,黑石在德国德贝恩镇萨克森州的Am Fuchsloch工业园区开设了第一家3D打印电池生产工厂,配套德国的汽车制造业,将大量生产用于工业应用以及电动汽车的下一代电池。首期工厂的生产能力将达到每年0．5 GWh。

相关知情人告诉南极熊3D打印网,首批固态电池原型已经过测试,3D打印大量生产所需的许多电池复合材料、外壳和固态电解质。在开发和测试了这项技术之后,Blackstone准备计划生产3D打印的固态电池。这会改变固态电池的发展。自动化3D打印生产工艺,比传统的电池生产工艺减少了70%的固定投资。固态电池也更安全,不使用对环境更有害的易燃液体电解质。

除黑石集团外,现在还有众多公司争相角逐下一代电池技术。在下一代技术(包括固态电池和新的先进制造技术)方面,这些公司可能会击败特斯拉。

利用3D打印工艺技术,美国Keracel能够将陶瓷电解质厚度降低到100um,长期目标是达到15um。这些技术进步将使Keracel陶瓷电池能够提供1200Wh/L的能量密度,这大约是标准锂离子电池的两倍,并且能够满足工业和汽车企业应用中高倍率需要。

当然,对于特斯拉来说,因为股价高,资本充足,可以通过有针对性的收购迅速加快步伐。