3D打印電池電極助力新能源汽車發(fā)展

導(dǎo)讀：傳統(tǒng)的電池電極是需要依賴模具工藝進(jìn)行制造，在外觀設(shè)計(jì)和復(fù)雜形狀的開發(fā)上存在著很大局限性。采用3D打印電極開啟了電池/電池組具備多變幾何形狀的新時(shí)代，以及更高的電池能量密度和性能。2021年5月18日，南極熊了解到，Photocentric公司通過光聚合實(shí)現(xiàn)對電池電極結(jié)構(gòu)的精確控制，為新能源汽車和更多的產(chǎn)品打開了新型電池幾何形狀復(fù)雜化和電池組輕量化的大門。

△新能源汽車電池組。照片來源Photocentric

2020年11月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，要求深入實(shí)施發(fā)展新能源汽車國家戰(zhàn)略，推動(dòng)中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，加快建設(shè)汽車強(qiáng)國。可以說交通工具的未來將是新能源汽車（EVs）的天下，而新能源汽車的核心是電池。然而，以目前用于制造電池的方法，改善電池性能的選擇是有限的。

有多有限？電池電極通常是通過將活性材料的漿液滑鑄成片狀、沖出袋狀或幣狀電池，然后將這些電池排列在一個(gè)長方形或圓柱形的外殼內(nèi)。用這種方法制造更強(qiáng)力的電池需要制造更厚的電極，以及通過將電極堆疊在一起制造更大的電池，但這種構(gòu)型很容易導(dǎo)致有問題的部分開裂。因此，對更好性能的追求往往產(chǎn)生更重、更龐大的電池組，卻不能為特定產(chǎn)品提供最佳效率或范圍。

Photocentric公司的化學(xué)主管Sarah Karmel認(rèn)為這樣的電池設(shè)計(jì)沒有靈活性，目前她們公司也正在尋求相應(yīng)的解決方案。這是一家位于英國的立體光刻式3D打印機(jī)供應(yīng)商，致力于探索為電動(dòng)車和其他電池供電的產(chǎn)品（如無人機(jī)）提供3D打印電極的前景。他們認(rèn)為以任何形狀和配置制造的增材制造電極可以為電動(dòng)汽車打開新大門，使其充電更快，重量更輕，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為更好的續(xù)航能力，并幫助克服當(dāng)前此類車輛發(fā)展的限制因素。

△Sarah Karmel，Photocentric的化學(xué)部門負(fù)責(zé)人

用于優(yōu)化電池電極結(jié)構(gòu)的3D打印


增材制造（AM）已經(jīng)為其他行業(yè)和應(yīng)用帶來了幾何形狀自由。想想看，噴氣燃料噴嘴現(xiàn)在只是一個(gè)零件，而不是20個(gè)零件，亦或是新能源汽車的結(jié)構(gòu)部件，其重量是傳統(tǒng)形狀和焊接的一半。3D打印電池的能力也將帶來幾何形狀上的自由，允許電池和電池組的設(shè)計(jì)適合產(chǎn)品，而不是強(qiáng)迫產(chǎn)品適應(yīng)傳統(tǒng)的電池組。這是一個(gè)重大的變化，可以為電動(dòng)車設(shè)計(jì)帶來新的自由，但這僅僅是個(gè)開始。

Karmel認(rèn)為電動(dòng)車電池的靈活性并不局限于電池或電池組的整體形狀，而在電極本身，即共同構(gòu)成電池單元的陽極和陰極中，還可以找到更多的設(shè)計(jì)機(jī)會。通過與模擬工程領(lǐng)域伙伴的合作，Photocentric正在擴(kuò)展設(shè)計(jì)和3D打印以前不可能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)。

△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。3D打印架構(gòu)（右）允許創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如增加能量密度的夾層電極

Karmel說：“電極以不同的方式一起工作，這些新的架構(gòu)支持能量密度更高的電池，可以占據(jù)更小、幾何上更靈活的空間。例如，陽極和陰極可以被制成夾層，以產(chǎn)生比堆疊配置的電池更多的能量密度和效率?！?/font>

3D打印工藝使改變電極的微觀結(jié)構(gòu)以獲得更好的性能成為可能。微觀的多孔結(jié)構(gòu)為離子的游走提供了路徑，從而增加了離子流和更大的體積能量密度。因此，同樣的功率可以從更小、更輕的電池中實(shí)現(xiàn)，它可以被制成更多的配置，以精確地適應(yīng)車輛或應(yīng)用。更多的孔隙也為離子提供了更多的通道，這有助于提高電池電極的能量密度。

△3D打印電池電極的微觀孔隙

用光聚合法制造電池

這些3D打印電池的過程與用光聚合工藝制造其他任何部件相似。電極是使用專有的光聚合樹脂進(jìn)行3D打印的，這種樹脂可作為商業(yè)電極粉末和導(dǎo)電添加劑的粘合劑。然后對生坯打印部件進(jìn)行清洗和固化，接著進(jìn)行脫膠和燒結(jié)，以去除聚合物，只留下活性電極材料。Photocentric公司實(shí)際上已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)獨(dú)立的3D打印電池系統(tǒng)，部件從打印到清洗和后處理都是自動(dòng)進(jìn)行的，避免了污染或損壞脆弱電極的風(fēng)險(xiǎn)。

△Photocentric 3D打印機(jī)

Photocentric公司這項(xiàng)可能對新能源汽車產(chǎn)生影響的3D打印電池項(xiàng)目也與它自身運(yùn)營中追求可持續(xù)發(fā)展的理念相吻合。Photocentric公司的3D打印機(jī)依靠可見光而不是紫外光來固化光聚合物部件，這意味著機(jī)器的運(yùn)行能耗更低。來自可再生資源的新型環(huán)保材料和回收工作也在進(jìn)行中。

迄今為止，這家公司所在使用的電極材料包括氧化鈷鋰（LCO）和鈦酸鋰（LTO），Karmel表示公司平臺不受限于材料，也可以支持其他既定的電池化學(xué)。Photocentric公司現(xiàn)在的目標(biāo)是找到能夠提供最佳化學(xué)成分和最有用的幾何形狀的行業(yè)合作伙伴，并在汽車上展示其3D打印電池。

在此，南極熊不禁要問到：我們可以在實(shí)驗(yàn)室里打印出有效的電池，但現(xiàn)在的問題是它在設(shè)備中的表現(xiàn)如何？如果使用成功，3D打印的電池電極可以為更輕的新能源汽車奠定基礎(chǔ)，提供更好的續(xù)航能力，而不改變電池組的尺寸?；蛘邽楦〉碾姵亟M提供更方便的形狀和配置，可以提供與今天的大型重電池陣列相同的續(xù)航能力。南極熊倒很是期待著這種3D打印電極結(jié)構(gòu)的實(shí)用化，畢竟更好的電池性能可以提高新能源汽車的使用率，也會指向更環(huán)保的交通模式。