电动汽车是未来交通工具的发展趋势，其制造的核心则是电池。然而，目前制造电池的工艺方法却限制了电池性能的提高。photocentric公司表示，通过光聚合技术进行3D打印制造电池，可以精确控制电池电极结构，为电动汽车等行业打开了新的电池几何结构和更轻的电池组的大门。

■传统的电池电极是由加工工艺制造完成的，3D打印电极的工艺拓宽了电池和电池组几何形状的设计可能性，并且可以获得更好的能量密度和性能。（图片来源：Photocentric）

电池电极通常是通过将活性材料搅拌成浆状，然后浇注到薄片上，通过碾压和分切形成袋状或纽扣状的电池单元，然后将这些电池单元排列到一个矩形或圆柱形的外壳中。用这种方法制造储电量更大的电池需要更厚的电极，并将这些电极堆叠在一起，但这可能会导致开裂。因此，追求更好的性能可能导致产生更重、更大的电池组，却无法为特定产品提供最佳效率及能量范围。

“这样的制造工艺会使得电池的设计缺乏灵活性。”正在研究解决方案的photocentric公司的化学主管萨拉·卡梅尔（Sarah Karmel）说。这家总部位于英国彼得堡的立体光刻式3D打印机供应商目前正在探索3D打印电极的技术，致力于将其应用在电动汽车和其他需要电池供电的产品——例如无人机。增材制造的电极可以做成任何形状和配置，为制造充电速度更快、重量更轻的电动汽车开启了新的大门，以此实现更好的续航里程——这将有助于克服长期限制电动汽车发展的不利因素。

3D打印可优化电池电极结构

增材制造给传统行业和应用带来了几何形状设计上的自由：试想一下，一个喷气燃料喷嘴现在只有1个零部件，而不是由20个零件组成；或者一个电动汽车的结构部件，重量只有传统形状和焊接工艺前一步骤时的一半。3D打印电池可为其带来几何形状的自由，允许电池和电池组的设计更适应汽车的设计，而不是强迫汽车在设计时只能适应传统的电池组的形状，这将会为电动汽车的设计带来新的可能。

卡梅尔认为电动汽车电池的灵活性并不局限于电池或电池组的整体形状，电极本身，也就是一起组成电池单元的阳极和阴极的设计中也有新的机会。通过与仿真技术公司的合作，Photocentric正在学习设计采用3D打印技术优化的电极架构，这在以前是不可能实现的。

■传统的电池电极结构（左）限制了阳极和阴极的可能配置方式；3D打印架构（右）可进行创新设计，例如通过电极交叉堆叠增加能量密度

“电极可以用一种不同的方式协同工作。”卡梅尔说道。这些新架构的电池占据的面积更小、几何形状更灵活，可以电池的能量密度变得更高。例如，阳极和阴极可以插叠起来，从而获得比堆叠配置的电池能量密度更高、效率更高的电池。

3D打印工艺可以改变电极的微观结构以获得更好的性能：微观孔隙率引入了离子游离的路径，从而使离子流量和体积能量密度增加，因此，更小、更轻的电池也可获得相同的电量。该电池可以有更多的配置，以精确地适应汽车或者其他应用。

■更多的孔为离子提供更多的通道，这有助于增加电池电极的能量密度

用光聚合技术制造电池

这些3D打印电池的过程类似于用光聚合过程制造任何其他产品：电极使用专有的光聚树脂进行3D打印——该树脂常用于商业电极粉末和导电添加剂的粘合剂；然后将绿色打印的零件部分清洗和固化，并进行脱脂和烧结以除去聚合物，只留下活性电极材料。Photocentric已经为3D打印电池开发了一个独立的系统，零件从打印到清洗和后处理可自动运行，避免了污染或损坏精密电极的风险。

3D打印电池项目对电动汽车产生影响与Photocentric公司对自身运营可持续性的追求相吻合。Photocentric 3D打印机依靠可见光而不是紫外光来固化光聚合物部件——这一因素意味着机器运行时消耗的能量更少。来自可再生资源和回收利用的新的可持续材料的研究也在进行中。

■Photocentric 3D打印机

到目前为止，该公司正在研究包括锂钴氧化物（LCO）和钛酸锂（LTO）在内的电极材料。卡梅尔表示，该3D打印平台与材料无关，其也可以支持其他已有的电池化学物质。Photocentric公司目前的目标是寻找能够提供最佳化学材料和最有用的几何图形设计的行业合作伙伴，并在汽车上展示其3D打印电池技术。

“我们可以在实验室中打印出可以工作的电池，但现在的问题是，它在实际设备中运行的性能如何。”卡梅尔说道。如果在实际设备中运行成功，3D打印电池电极可以为更轻的电动车奠定基础，在不改变电池组的大小的情况下提供更好的续航里程；或者为汽车提供更容易塑形及配置的小的电池组，但可以提供与当今大型重电池组相同的续航里程。更好的电池性能可以提高电动汽车的使用率，从而推动可持续发展的交通方式走向下一个进程。