2021年2月10日,南極熊獲悉,來自加州理工學院(Caltech)的研究團隊開發(fā)了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法。

研究人員利用DLP 3D打印技術,制造出復雜的聚合物結構,然后通過熱后處理轉化為有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結構分別被證明可以作為陽極和陰極使用,并稱具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學院研究生Kai Narita解釋說:"已知聚合物的熱解會導致碳的形成。我們的方法利用這一現象來制造3D打印碳材料。我們使用一種市售的光刻膠與DLP數字光處理工藝打印來創(chuàng)建3D聚合物結構,然后在1000?C的溫度下熱解,將其轉化為碳的結構。"

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來,鋰離子電池已成為現代人類生活中不可或缺的一部分,為從消費電子產品到軍用衛(wèi)星等各種產品提供動力。因此,在電化學領域,有大量的研究專門針對提高儲能設備的容量,同時使其更小、更便宜、更快充電。

除了可以讓我們的手機續(xù)航更長之外,更好的電池對氣候變化也有重大影響,因為它們可以幫助減少對化石燃料的依賴,而促進可再生能源的使用。遺憾的是,電動汽車以及風能和太陽能電網儲能等應用,即使是最前沿的技術,也仍然受到目前能量密度和充電速率的限制。

在傳統(tǒng)的平面電極鋰離子電池中,能量密度(可存儲的能量量)和功率密度(能量釋放率)往往是耦合的。例如,增加電極的質量將增加其能量密度,但由于電極厚度的增加,離子和電子被迫在放電前移動更多的距離,從而降低其功率密度。如果將這種關系解耦,儲能設備的能量密度和功率密度都可以同時提高。這就是3D打印的作用。

△3D打印碳電極的SEM成像,圖片來自加州理工學院

3D打印幫了大忙

雖然近年來3D打印實際上已經開始探索應用,但之前的嘗試主要依靠納米油墨擠出,這并不適合高分辨率的零件。而光聚合則解決了分辨率的問題,但由于它是基于聚合物化學的,所以通常與電極材料不兼容。

△3D打印的碳電極層特寫,圖片來自加州理工學院

利用DLP-熱解技術,加州理工學院的團隊能夠將兩者的優(yōu)點結合起來,用電極材料生產高分辨率的電極。由于這項技術能夠打印出厚厚的電極結構與微觀和納米大小的子結構,為高性能電池生產的新方法鋪平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授總結道:"創(chuàng)建3D打印電極,并對結構設計、尺寸以及材料進行完全控制,使我們更加接近可擴展的、可靠的固態(tài)電池制造方法,這種方法安全、機械堅固、高效。"

更多的研究細節(jié)可參見《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

《3D打印固態(tài)電池:能量密度提高1倍,充電速度提高6倍,下一代電動汽車技術》

南極熊導讀:3D打印固態(tài)電池在2021年即將在德國量產!能量密度提高1倍,充電速度提高6倍!優(yōu)先配套德國龐大的汽車制造業(yè)。寶馬/奔馳/大眾/奧迪/保時捷等廠商,在電動汽車時代有翻身的機會嗎?

2021年1月,南極熊3D打印網獲悉,瑞士Blackstone Resources(黑石資源 )公司的專有3D打印鋰離子固態(tài)電池技術,取得了一系列重要的突破。它一直通過德國子公司Blackstone Technology GmbH投資于下一代電池技術。包括獲得專利的3D打印技術和對電池批量生產的研究。恰好的是,德國是全球3D打印技術最為發(fā)達的國家之一。

與目前的鋰離子電池技術相比,3D打印固態(tài)電池具有將能量密度提高一倍,制造成本降低一半的潛力。

3D打印固態(tài)電池的比較優(yōu)勢

當前最先進的電池生產面臨的一些弱點:

不夠靈活,無法支持必須與產品設計相匹配的組件設計

它仍然太昂貴(目標:<80US $ / kWh)

不適用于未來的設計,例如全固態(tài)電池

提供的能量密度仍然太低(目標: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”電極可提高能量密度。

可以將電極中的材料打印成三維晶格結果。晶格意味著電極具有更大的暴露表面積,增大化學反應面積,電池效率更高。另外,3D打印電池模塊不需要多余的物質即可以實現一體化。想象一下,特斯拉85kWh電池組由7104個電池組成,將7104塊電池粘合在一起的膠水和電線的重量相當大了。但是如果這些變成是增材制造過程的一部分,而不是多余的材料,能量密度將大大提高。

與使用液體電解質的傳統(tǒng)電池設計相比,Blackstone Technology的3D打印工藝具有明顯的優(yōu)勢。顯著降低成本,提高電池尺寸的生產靈活性,可以不依賴電極化學性質而實現這些優(yōu)點。

△3D打印固態(tài)電池生產工作流程

Blackstone的3D打印固態(tài)電池技術,解決了這些弱點:

3D打印鋰離子電池生產已經成熟,且有專利,在生產過程中可提供最大的靈活性;

可節(jié)省30%的CAPEX和10%的OPEX,而采用固態(tài)技術時,可節(jié)省70%的CAPEX和30%的OPEX;

世界上第一個3D打印生產工藝,可以批量生產固態(tài)電池;

可將能量密度提高20%,用固態(tài)技術時可提高100%;

利用自身資源來縮短供應鏈,并確保長期獲取電池材料;

通過將干燥過程減少50%,可將能源消耗降低25%,這是電池組電池最重要的制造成本——占總能源成本的45%至57%。

△世界上第一個使用印刷電極的功能性電池已通過測試

黑石技術有限公司CEO霍爾格·格里茨卡(Holger Gritzka)表示:“我們迄今為止在3D打印電池技術方面的發(fā)展,為固態(tài)電池的大規(guī)模生產鋪平了道路。除了汽車工業(yè)等主要市場之外,船舶應用和新型5G無線網絡也將會受益于3D打印固態(tài)電池的優(yōu)勢?！?/p>

△特斯拉的股價已經漲得高到了火星,市值達8000億美元,是寶馬+奔馳+大眾等一批傳統(tǒng)汽車廠商市值的總和還高

埃隆·馬斯克(Elon Musk)承認獲得下一代電池技術以及生產這些電池所需的原材料的重要性。即使采用減少電池材料量的新技術,電動汽車的需求也可能很快超過這些車輛所需的電池材料量。

馬斯克預計,下一代電池將使用更少的電池金屬(例如鈷),而使用更多的鎳和鋰。實際上,隨著特斯拉與大型汽車制造商的入局,所有這些金屬的需求可能會大幅增加,大型汽車制造商也開始推出電動汽車,并計劃把全部汽車都電動化。

3D打印固態(tài)電池正在量產

Blackstone Resources開發(fā)并測試了3D打印電池,獲得歐洲“地平線2020”計劃資助,在電池密度,充電周期和成本方面均取得了顯著成績。這家瑞士公司還開發(fā)了一種工作流程,可使用專有的電池打印技術在2021年以各種形狀或形式來批量生產這些電池,充電速度最大可以提高大約六倍。

2020年11月,黑石在德國德貝恩鎮(zhèn)薩克森州的Am Fuchsloch工業(yè)園區(qū)開設了第一家3D打印電池生產工廠,配套德國的汽車制造業(yè),將大量生產用于工業(yè)應用以及電動汽車的下一代電池。首期工廠的生產能力將達到每年0．5 GWh。

相關知情人告訴南極熊3D打印網,首批固態(tài)電池原型已經過測試,3D打印大量生產所需的許多電池復合材料、外殼和固態(tài)電解質。在開發(fā)和測試了這項技術之后,Blackstone準備計劃生產3D打印的固態(tài)電池。這會改變固態(tài)電池的發(fā)展。自動化3D打印生產工藝,比傳統(tǒng)的電池生產工藝減少了70%的固定投資。固態(tài)電池也更安全,不使用對環(huán)境更有害的易燃液體電解質。

除黑石集團外,現在還有眾多公司爭相角逐下一代電池技術。在下一代技術(包括固態(tài)電池和新的先進制造技術)方面,這些公司可能會擊敗特斯拉。

利用3D打印工藝技術,美國Keracel能夠將陶瓷電解質厚度降低到100um,長期目標是達到15um。這些技術進步將使Keracel陶瓷電池能夠提供1200Wh/L的能量密度,這大約是標準鋰離子電池的兩倍,并且能夠滿足工業(yè)和汽車企業(yè)應用中高倍率需要。

當然,對于特斯拉來說,因為股價高,資本充足,可以通過有針對性的收購迅速加快步伐。