3D打印新能源汽车电池潜力巨大：能量密度可提升一倍、成本降低一半

南极熊导读：用3D打印技术来生产锂离子、钠离子的新能源汽车电池，具有将能量密度提高一倍，制造成本降低一半的潜力。希望引起中国的重视。

在全球能源转型的大背景下，3D打印电池所展现出的高能量密度、可持续、轻量化等优势是电动汽车市场迫切需要的。所以开发可商业化、大规模使用的3D打印电池将成为电动汽车行业未来的新方向。南极熊本期文章概述了当下全球3D打印电池在汽车行业的发展现状，相信这将给我们增材制造以及汽车领域的发展带来一些新的启示。

△特斯拉电动汽车电池组拆解

3D打印固态电池专家Sakuu

Sakuu Corporation是一家总部位于美国加利福尼亚州的工业解决方案提供商，前身为KeraCel 公司，成立于2016年。Sakuu的3D打印平台是一个用于灵活、经济高效地大量生产复杂功能设备的多材料、多方法3D打印解决方案。这使能源行业内的制造商能够改善成本、性能和当前固态电池选件的范围。

2019年5月份，Sakuu（也称Keracel）公司宣称在生产陶瓷固态锂电电池方面取得了最新突破。同年8月，日本汽车零部件制造商Musashi Seimitsu Industry宣布与Sakuu建立了战略合作伙伴关系，目标是加速3D打印固态电池的发展。他们的计划是首先将该技术应用于摩托车行业，然后再去适应更广泛的汽车行业。

2021年6月17日，Sakuu Corporation宣布了三项专利：具有密封阳极结构的混合固态电池、能够创建有源设备（如微反应器或固态电池）的增材制造系统，以及电子照相多材料3D打印机。

△Sakuu AM平台内部。照片来自Sakuu。

2021年7月28日，Sakuu Corporation宣布已开发出一种3Ah锂固态电池 （SSB），性能等同于或优于当前的锂电池。Sakuú一直在开发第一代SSB电池技术及旗舰增材制造平台，据称平台使用多材料粘合剂喷射工艺，并于2021年年底投入商业使用。第一代电池包括30个子电池，使用锂金属和陶瓷隔板。另外，电池设计使用当前行业标准阴极材料（未来或许会使用支持更高电压的阴极材料），可产生高达25％的能量。

△Sakuu的第一代固态电池。图片由Sakuu提供。

2021年8月22日， Sakuu公司开始着手于建设一个新的试验设施，用于生产3D打印固态电池。据报道，这条试验产线于2021年底完成，投产后每年将能生产高达2．5兆瓦时的固态电池。在未来几年，它还将作为该公司的多材料3D打印系统＂Sakuu AM平台＂的客户学习中心。工程公司Relevant Industrial和霍尼韦尔将通过提供工程、工艺设计和系统集成支持来帮助建立该设施。

△Sakuu即将推出的试验生产线的效果图。图片来源于Sakuu公司

Sakuu公司一直致力于3D打印固态电池的开发和推广。固态电池与目前主流的传统锂电池最大的不同在于电解质。传统锂电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量，电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。而固态电池使用固体电解质，替代了传统锂电池的电解液和隔膜。与锂电池相比，固态电池更加安全、更高的理论能量密度和更高的体积能量密度。但是，固态电池也有一定的局限性，比如固态电解质导电率低，不能快速充能；材料物理接触会随时间变差，影响使用寿命；制备工艺复杂。

△电池结构示意图

△电池性能对比

Sakuu的增材制造技术融合了粉末床和喷射材料沉积技术，并使用多种材料来制造零件。它结合了陶瓷和金属以及Sakuu的PoraLyte支撑材料，消除了部件悬垂的限制，并能够创建带有内部通道和腔体的设备。

Sakuu说，这项技术较现有产品有着很大的飞跃，能够制造薄单片层和完美介面，从而生产高能量密度固态电池（SSB）。此外，得益于粉末到粉末工艺，据说陶瓷和金属材料的可回收性比传统方法更容易，不需要提取石墨，也不需要聚合物，这意味着减少了垃圾填埋或焚烧。

△Sakuu电池3D打印使用了多重3D打印技术