電動(dòng)汽車是未來交通工具的發(fā)展趨勢(shì)，其制造的核心則是電池。然而，目前制造電池的工藝方法卻限制了電池性能的提高。photocentric公司表示，通過光聚合技術(shù)進(jìn)行3D打印制造電池，可以精確控制電池電極結(jié)構(gòu)，為電動(dòng)汽車等行業(yè)打開了新的電池幾何結(jié)構(gòu)和更輕的電池組的大門。

■傳統(tǒng)的電池電極是由加工工藝制造完成的，3D打印電極的工藝拓寬了電池和電池組幾何形狀的設(shè)計(jì)可能性，并且可以獲得更好的能量密度和性能。（圖片來源：Photocentric）

電池電極通常是通過將活性材料攪拌成漿狀，然后澆注到薄片上，通過碾壓和分切形成袋狀或紐扣狀的電池單元，然后將這些電池單元排列到一個(gè)矩形或圓柱形的外殼中。用這種方法制造儲(chǔ)電量更大的電池需要更厚的電極，并將這些電極堆疊在一起，但這可能會(huì)導(dǎo)致開裂。因此，追求更好的性能可能導(dǎo)致產(chǎn)生更重、更大的電池組，卻無法為特定產(chǎn)品提供最佳效率及能量范圍。

“這樣的制造工藝會(huì)使得電池的設(shè)計(jì)缺乏靈活性?！闭谘芯拷鉀Q方案的photocentric公司的化學(xué)主管薩拉·卡梅爾（Sarah Karmel）說。這家總部位于英國彼得堡的立體光刻式3D打印機(jī)供應(yīng)商目前正在探索3D打印電極的技術(shù)，致力于將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車和其他需要電池供電的產(chǎn)品——例如無人機(jī)。增材制造的電極可以做成任何形狀和配置，為制造充電速度更快、重量更輕的電動(dòng)汽車開啟了新的大門，以此實(shí)現(xiàn)更好的續(xù)航里程——這將有助于克服長期限制電動(dòng)汽車發(fā)展的不利因素。

3D打印可優(yōu)化電池電極結(jié)構(gòu)

增材制造給傳統(tǒng)行業(yè)和應(yīng)用帶來了幾何形狀設(shè)計(jì)上的自由：試想一下，一個(gè)噴氣燃料噴嘴現(xiàn)在只有1個(gè)零部件，而不是由20個(gè)零件組成；或者一個(gè)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)部件，重量只有傳統(tǒng)形狀和焊接工藝前一步驟時(shí)的一半。3D打印電池可為其帶來幾何形狀的自由，允許電池和電池組的設(shè)計(jì)更適應(yīng)汽車的設(shè)計(jì)，而不是強(qiáng)迫汽車在設(shè)計(jì)時(shí)只能適應(yīng)傳統(tǒng)的電池組的形狀，這將會(huì)為電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)帶來新的可能。

卡梅爾認(rèn)為電動(dòng)汽車電池的靈活性并不局限于電池或電池組的整體形狀，電極本身，也就是一起組成電池單元的陽極和陰極的設(shè)計(jì)中也有新的機(jī)會(huì)。通過與仿真技術(shù)公司的合作，Photocentric正在學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)采用3D打印技術(shù)優(yōu)化的電極架構(gòu)，這在以前是不可能實(shí)現(xiàn)的。

■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方式；3D打印架構(gòu)（右）可進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，例如通過電極交叉堆疊增加能量密度

“電極可以用一種不同的方式協(xié)同工作?！笨窢栒f道。這些新架構(gòu)的電池占據(jù)的面積更小、幾何形狀更靈活，可以電池的能量密度變得更高。例如，陽極和陰極可以插疊起來，從而獲得比堆疊配置的電池能量密度更高、效率更高的電池。

3D打印工藝可以改變電極的微觀結(jié)構(gòu)以獲得更好的性能：微觀孔隙率引入了離子游離的路徑，從而使離子流量和體積能量密度增加，因此，更小、更輕的電池也可獲得相同的電量。該電池可以有更多的配置，以精確地適應(yīng)汽車或者其他應(yīng)用。

■更多的孔為離子提供更多的通道，這有助于增加電池電極的能量密度

用光聚合技術(shù)制造電池

這些3D打印電池的過程類似于用光聚合過程制造任何其他產(chǎn)品：電極使用專有的光聚樹脂進(jìn)行3D打印——該樹脂常用于商業(yè)電極粉末和導(dǎo)電添加劑的粘合劑；然后將綠色打印的零件部分清洗和固化，并進(jìn)行脫脂和燒結(jié)以除去聚合物，只留下活性電極材料。Photocentric已經(jīng)為3D打印電池開發(fā)了一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，零件從打印到清洗和后處理可自動(dòng)運(yùn)行，避免了污染或損壞精密電極的風(fēng)險(xiǎn)。

3D打印電池項(xiàng)目對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)生影響與Photocentric公司對(duì)自身運(yùn)營可持續(xù)性的追求相吻合。Photocentric 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——這一因素意味著機(jī)器運(yùn)行時(shí)消耗的能量更少。來自可再生資源和回收利用的新的可持續(xù)材料的研究也在進(jìn)行中。

■Photocentric 3D打印機(jī)

到目前為止，該公司正在研究包括鋰鈷氧化物（LCO）和鈦酸鋰（LTO）在內(nèi)的電極材料?？窢柋硎?，該3D打印平臺(tái)與材料無關(guān)，其也可以支持其他已有的電池化學(xué)物質(zhì)。Photocentric公司目前的目標(biāo)是尋找能夠提供最佳化學(xué)材料和最有用的幾何圖形設(shè)計(jì)的行業(yè)合作伙伴，并在汽車上展示其3D打印電池技術(shù)。

“我們可以在實(shí)驗(yàn)室中打印出可以工作的電池，但現(xiàn)在的問題是，它在實(shí)際設(shè)備中運(yùn)行的性能如何。”卡梅爾說道。如果在實(shí)際設(shè)備中運(yùn)行成功，3D打印電池電極可以為更輕的電動(dòng)車奠定基礎(chǔ)，在不改變電池組的大小的情況下提供更好的續(xù)航里程；或者為汽車提供更容易塑形及配置的小的電池組，但可以提供與當(dāng)今大型重電池組相同的續(xù)航里程。更好的電池性能可以提高電動(dòng)汽車的使用率，從而推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的交通方式走向下一個(gè)進(jìn)程。