3D打印電池組件真的可行嗎？Sakuu干電極打印技術(shù)最新揭秘

導(dǎo)讀：隨著全球電氣化進(jìn)程的推進(jìn)，電池行業(yè)面臨著越來(lái)越大的壓力，需要提高生產(chǎn)效率、最大限度地減少環(huán)境影響，并構(gòu)建更具韌性的供應(yīng)鏈。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，許多公司正在探索先進(jìn)的制造方法。Sakuu 就是其中之一，這是一家位于硅谷的電池打印設(shè)備和技術(shù)開(kāi)發(fā)商。

Sakuu 由首席執(zhí)行官Robert Bagheri 于 2016 年創(chuàng)立，從開(kāi)發(fā)電池材料套件發(fā)展到生產(chǎn)各種形狀和尺寸的 3D 打印電池。這些努力的核心是 Kavian 平臺(tái)——用于干電極打印的制造平臺(tái)。制造平臺(tái)采用增材制造 (AM) 技術(shù)，按順序構(gòu)建電池層，從而實(shí)現(xiàn)超越傳統(tǒng)格式的設(shè)計(jì)。制造平臺(tái)于 2025 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并因其創(chuàng)新方法而獲得業(yè)內(nèi)認(rèn)可。

△Kavian平臺(tái)專(zhuān)用于生產(chǎn)干電極。圖片來(lái)自Sakuu。

關(guān)注客戶需求：干電極打印

Sakuu 專(zhuān)注于打印干材料，公司的Kavian 平臺(tái)已將 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于大批量電池生產(chǎn)。Sakuu開(kāi)發(fā)了一種工藝，讓電池的集流體箔在沉積頭下方移動(dòng)，而不是移動(dòng)沉積頭本身。Sakuu總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官 Arwed Niestroj Niestroj 解釋說(shuō)：“這使我們能夠提高材料沉積的速度。更重要的是，我們需要對(duì)每一層都應(yīng)用正確的工藝，控制厚度、速度和質(zhì)量。協(xié)調(diào)工藝、材料和最終層是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；暮诵哪芰??！?/div>

Niestroj 解釋說(shuō)，雖然最初的重點(diǎn)是 3D 打印電池，但后來(lái)根據(jù)客戶的反饋調(diào)整了工作：“有趣的是，我們的客戶表示，打印完整的電池并非他們的當(dāng)務(wù)之急。相反，他們希望從組件入手，具體來(lái)說(shuō)，是干法電極打印?！币虼?，Kavian 平臺(tái)的首個(gè)商業(yè)版本專(zhuān)注于生產(chǎn)各種化學(xué)成分的干電極（包括正極和負(fù)極）。系統(tǒng)采用卷對(duì)卷打印方法，吞吐量和處理特性與傳統(tǒng)濕法涂覆生產(chǎn)線相當(dāng)，同時(shí)還具有額外的操作和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。

△Kavian厚底印花。照片來(lái)自 Sakuu。

Kavian平臺(tái)：干電極打印與傳統(tǒng)濕法工藝

Kavian平臺(tái)的一大優(yōu)勢(shì)在于資本支出的降低。與依賴大型高能耗熔爐和場(chǎng)外溶劑回收系統(tǒng)的傳統(tǒng)濕法涂覆生產(chǎn)線不同，干法工藝降低了運(yùn)營(yíng)成本并簡(jiǎn)化了工廠布局。此外，它還能重復(fù)利用剩余材料——這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵牧铣杀究赡苷嫉诫姵厣a(chǎn)成本的80%以上。

Sakuu 強(qiáng)調(diào)了傳統(tǒng)濕法工藝的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：溶劑的蒸發(fā)難以在顆粒層面控制，這常常導(dǎo)致電極缺陷，例如不均勻性和產(chǎn)量降低。相比之下，干法工藝無(wú)需溶劑蒸發(fā)。一旦工藝參數(shù)設(shè)置符合客戶的層規(guī)格，設(shè)備就會(huì)進(jìn)行微調(diào)，以滿足電極質(zhì)量和產(chǎn)量要求。這種方法被認(rèn)為是降低缺陷率和提高產(chǎn)量的一種方法。

經(jīng)一家獨(dú)立咨詢公司證實(shí)，這套平臺(tái)還可減少約55%的碳足跡，同時(shí)避免用水。以“從搖籃到大門(mén)”的整個(gè)電池單元制造流程為例，基于美國(guó)典型的能源結(jié)構(gòu)，碳足跡減少約40%。然而，這些收益取決于精心的工藝優(yōu)化和材料處理。未來(lái)的發(fā)展旨在進(jìn)一步提高效率，包括用于新功能的結(jié)構(gòu)化電極、替代電池設(shè)計(jì)以及降低報(bào)廢電池回收成本的策略。

△Kavian平臺(tái)專(zhuān)用于生產(chǎn)干電極。圖片來(lái)自Sakuu。

運(yùn)營(yíng)合規(guī)性和可擴(kuò)展性

Kavian 符合各運(yùn)營(yíng)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備認(rèn)證，包括安全性和電源兼容性要求。Niestroj 解釋說(shuō)：“整體流程與具體的電池應(yīng)用無(wú)關(guān)。生產(chǎn)的電池可以根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)儲(chǔ)能、無(wú)人機(jī)、國(guó)防和消費(fèi)電子產(chǎn)品的常規(guī)協(xié)議進(jìn)行認(rèn)證?！?/div>

雖然電極加工工藝仍然要求極高，但可擴(kuò)展的實(shí)用解決方案卻寥寥無(wú)幾。Sakuu 目前正在與SK On合作進(jìn)行預(yù)商用測(cè)試，以評(píng)估生產(chǎn)最終電極和量產(chǎn)設(shè)備的要求。這些試點(diǎn)研究旨在驗(yàn)證制造技術(shù)，識(shí)別局限性，并為潛在的應(yīng)用提供參考。

△Kavian平臺(tái)打印過(guò)程。圖片來(lái)自 Sakuu。

支持區(qū)域供應(yīng)鏈靈活性

在地緣政治形勢(shì)瞬息萬(wàn)變的背景下，人們對(duì)電池供應(yīng)鏈區(qū)域化的興趣日益濃厚，以減少對(duì)少數(shù)主導(dǎo)供應(yīng)商和海外制造中心的依賴。近期的貿(mào)易緊張局勢(shì)以及疫情帶來(lái)的物流挑戰(zhàn)等一系列事件，凸顯了全球供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。

Niestroj 解釋說(shuō)，Kavian平臺(tái)的設(shè)計(jì)支持關(guān)鍵部件的本地化生產(chǎn)，并提供與化學(xué)無(wú)關(guān)的功能，允許使用各種電極材料 - 包括 NCM、LFP、NCA、石墨、硅石墨和其他適用于電池級(jí)層的干顆粒，以及固態(tài)化學(xué)物質(zhì)。

Niestroj解釋道：“客戶可以自行決定從哪里購(gòu)買(mǎi)材料——他們不會(huì)被鎖定在特定的供應(yīng)商或國(guó)外來(lái)源。例如，西方國(guó)家在韓國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等地都有供應(yīng)選擇。我們會(huì)根據(jù)客戶選擇的材料進(jìn)行預(yù)處理以確?？纱蛴⌒?，然后在我們的設(shè)備上進(jìn)行打印?！?/div>

△Kavian平臺(tái)打印過(guò)程。圖片來(lái)自 Sakuu。

超越電池：擴(kuò)展儲(chǔ)能應(yīng)用

Kavian 平臺(tái)正在適應(yīng)更廣泛的儲(chǔ)能解決方案，包括高功率電容器。潛在用例擴(kuò)展到人工智能數(shù)據(jù)中心，在這些數(shù)據(jù)中心，穩(wěn)定、高性能的儲(chǔ)能對(duì)于管理功率波動(dòng)至關(guān)重要。Niestroj 說(shuō)道：“鋰離子電容器對(duì)于應(yīng)對(duì)需求的突然激增至關(guān)重要。這正是我們的技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在——兼具高功率和高能量。”

為了滿足這些需求，Kavian 的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)高吞吐量，速度可與專(zhuān)業(yè)激光打印機(jī)媲美——約為每分鐘 100 平方米。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要對(duì)設(shè)備和材料進(jìn)行精確校準(zhǔn)。Niestroj 強(qiáng)調(diào)，與行業(yè)合作伙伴的合作將是整合此類(lèi)技術(shù)的關(guān)鍵。早期的生產(chǎn)車(chē)間安裝預(yù)計(jì)將支持年產(chǎn)能較大的工廠快速擴(kuò)展。

展望未來(lái)，干法印刷工藝還能催生新的電池架構(gòu)，從活性材料密封的替代方法，到用更輕或更低成本的方案取代傳統(tǒng)的鋁和銅集流體。Niestroj補(bǔ)充道：“憑借我們?cè)诎雽?dǎo)體行業(yè)的豐富經(jīng)驗(yàn)，我們深知采用新技術(shù)的變革力量……持續(xù)成功的關(guān)鍵在于持續(xù)創(chuàng)新。”

△Kavian平臺(tái)專(zhuān)用于生產(chǎn)干電極。圖片來(lái)自Sakuu。

擴(kuò)展3D打印電池生態(tài)系統(tǒng)

3D打印電池行業(yè)的快速增長(zhǎng)進(jìn)一步鞏固了Sakuu的市場(chǎng)地位。據(jù)Market Research Intellect的數(shù)據(jù)，全球3D打印電池市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2025年的118.6億美元增長(zhǎng)到2033年的218.9億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為10.75%。與此同時(shí)，國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布的 《2025年全球電動(dòng)汽車(chē)展望》預(yù)測(cè)，全球電動(dòng)汽車(chē)電池需求將從2024年的約1太瓦時(shí)(TWh)飆升至2030年的3太瓦時(shí)以上。

隨著電池需求的不斷增長(zhǎng)，制造商越來(lái)越多地采用增材制造方法來(lái)擴(kuò)大生產(chǎn)、提高效率并降低成本。與 Sakuu 攜手，Addionics也憑借智能 3D 電極技術(shù)，通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新推動(dòng)電池3D打印領(lǐng)域的發(fā)展。Addionics 并非改變電池的化學(xué)成分，而是專(zhuān)注于重新設(shè)計(jì)電池集流體的結(jié)構(gòu)，以降低內(nèi)阻、增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性并改善熱管理。這些解決方案無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模改造即可集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線中，從而生產(chǎn)出更安全、性能更卓越、效率更高的電池。

學(xué)術(shù)研究也為3D打印電池的創(chuàng)新做出了貢獻(xiàn)。2023年，德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（UTEP）加入了由NASA牽頭的一項(xiàng)耗資250萬(wàn)美元的計(jì)劃，利用月球和火星風(fēng)化層3D打印可充電電池。UTEP獲得了61.5萬(wàn)美元的資助，與揚(yáng)斯敦州立大學(xué)和Formlabs合作，開(kāi)發(fā)用于太空任務(wù)的可變形電池，利用當(dāng)?shù)夭牧蠝p輕有效載荷重量。研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用材料擠出（ME）和大桶光聚合（VPP）等增材制造技術(shù)，成功生產(chǎn)出包括電極、電解質(zhì)和集流體在內(nèi)的電池組件。