超过 450 Wh/kg 的高能量密度,选区激光熔融3D打印可用于制造更安全、更便宜的锂电池-金属3D打印工厂

超过 450 Wh/kg 的高能量密度,选区激光熔融3D打印可用于制造更安全、更便宜的锂电池-金属3D打印工厂插图

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超过 450 Wh/kg 的高能量密度,选区激光熔融3D打印可用于制造更安全、更便宜的锂电池

| 3DScienceValley · 2022/07/03

根据3D科学谷的市场观察,总部位于加利福尼亚州和亚利桑那州的电池公司 Ampcera已获得资金用于开发 3D 打印锂离子电池。Ampcera 与劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的合作伙伴一起从能源部获得了 150 万美元的资金,用于使用低成本的干式增材制造工艺开发具有更高功率和能量密度的更安全的锂电池。

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3D打印电池(激光熔融3D打印技术)vs 传统方式

© LLNL

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 干式增材制造技术

Ampcera 致力于下一代锂电池的高性能固态电解质材料的开发和商业化,通过与LLNL国家实验室的合作将开发锂离子电池的创新制造工艺并缩短上市时间。

此外,3D打印电池过程是“对环境无害的”,这就是为什么这项资助是美国能源部先进制造办公室为减少工业排放和制造清洁能源技术而选择的六个能源系统项目之一。

根据3D科学谷的了解,所提出的干式增材制造技术具有高能效的特点,其产量是传统浆料加工的 10 倍以上,可将锂电池制造成本降低 50% 或更多。

基于浆料的加工涉及将含有活性材料、导电材料和聚合物粘结剂的悬浮液在溶剂中沉积到铜膜或铝膜上(浆料制备和涂层)。随后是电极(阳极和阴极)的干燥、压延和上浆,这是一个复杂的过程,需要大量的监控和控制。因此这个过程可以进一步优化,而AM-增材制造已被指定为对传统工艺的改进。

具体来说,Ampcera与LLNL国家实验室目前的开发重点是生产电池正极。根据LLNL,该3D打印工艺可以处理厚的高容量 3D 阴极结构,使锂离子电池能够在 15 分钟或更短的时间内达到 80% 的快速充电目标。科学家计划将这些发现也应用于阳极设计,并进一步探索其在全固态锂金属电池中的应用。

据称,3D打印锂电池有可能彻底改变固态电池的规模制造方式,具有本质安全性、超过 450 Wh/kg 的高能量密度和低于 75 美元/kWh 的低成本。这对于想要更轻电池的市场需求来说是个好消息。而LLNL 与 Ampcera 的合作将加速用于高性能锂电池制造的超快速和低成本增材制造技术的开发和商业化。

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 锂电池增材制造技术

根据3D科学谷的市场观察,3D打印用于电池的制造可以划分为两大派系,第一大派系如正文说提到的通过创建复杂的几何形状提升锂电池的容量和充放电效率。第二大派系是通过3D打印诸如石墨烯等其他材料来寻找一种替代锂电池的方法。

而此前LLNL公开的研究,大多数关于3D打印诸如石墨烯等其他材料来寻找一种替代锂电池的方法。LLNL于2015年4月就取得石墨烯材料应用的突破,实验室的科研人员以石墨烯气凝胶做为3D打印的材料,并按照设计好的架构进行3D打印。打印出的石墨稀微格具有优异的导电性和表面积,可以作为存储能量的新载体,并可用于传感器、纳米电子学、催化、分离等应用。

这种石墨烯材料的3D打印电池由于充电和放电不会降低电池的质量,所以这些电池理论上可以反复充电使用持续一辈子。考虑到不用频繁抛弃充电电池对环境带来的威胁,这一优点使得3D打印新型超级电池的商业空间更具想象力。

不过LLNL与Ampcera 合作的项目是3D打印更安全的锂电池,而3D科学谷了解到其所使用的3D打印技术是L-PBF激光粉末床熔融金属3D打印技术。的确,L-PBF 最初是为金属零件的 3D 打印而开发的, LLNL 的科学家和该项目的首席首席研究员叶建超正计划使用这种增材制造技术将正极粉末混合物热粘合到铝集流体上,并生成独特的 3D 结构以实现更快的充电和更高能量密度的电池。

根据LLNL 首席研究员叶建超,3D打印允许处理厚的高容量3D阴极结构,使锂离子电池能够在 15 分钟或更短的时间内达到 80% 的快速充电目标。

通过消除溶剂,超快激光加工允许大规模电池制造,具有更高的产量、更低的能耗和成本,并可能提高功率和能量密度。

Ampcera Inc. 在高性能固态电解质和电极材料方面拥有强大的技术组合。Ampcera 将为 LLNL 提供最先进和高度工程化的阴极粉末,用于 L-PBF 加工。双方将密切合作以制造电池并评估其实际性能。

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 锂电池增材制造技术面临多种挑战

根据3D科学谷的市场观察,国内在3D打印锂电池方面,苏州大学能源学院教授孙靖宇与中国科学院院士、北京大学教授刘忠范团队曾构建出3D打印硫正极,并获得了具有高倍率性能和高面容量的锂硫电池。相关技术还可推广到其他新兴的储能设备,为发展新型、高效、规模化的电极构筑方法提供重要借鉴。

根据孙靖宇,面向能量存储应用领域的3D打印技术目前仍存在许多关键瓶颈,比如电极的打印精度对设备配置提出更高的要求、打印墨汁的制备工艺亟待系统探索,以及缺乏规模化印刷装备等。

不过根据刘忠范,在走向实用化和产业化进程中,锂硫电极方面还存在诸多关键问题需要解决。开发3D打印自支撑结构的硫正极值得关注。

首先是正极碳含量。根据孙靖宇,为了解决硫的绝缘性问题,通常需要添加较多填量的导电碳来平衡,从而造成锂硫电池体积能量密度低。因此,为了获得高体积能量密度的锂硫电池,需要提高硫正极的振实密度及采用少碳甚至无碳硫宿主。

其次是电解液用量。根据孙靖宇,由于硫正极的多孔性导致需要消耗大量电解液,为了获得高能量密度的锂硫电池,需要通过优化正极的孔结构,降低电解液的用量。

此外,金属锂负极也是关键问题之一,即在规模化锂硫体系中,须采取抑制其枝晶生长策略等,保证锂负极的安全性。

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 增材制造技术创造新机遇

自从 1990 年代锂离子化学问世以来,电池显然取得了巨大的进步,但每个人都希望可以解决三件事。首先,是价格。另一个重要的问题是能量密度——如何让电池容纳更多电量,从而使它们更轻和/或更小。第三是让电子设备的设计者在电池的尺寸和形状上有更多的选择。

3D打印技术正在解决这三方面需求。国际研究领域,根据3D科学谷的了解,卡内基梅隆大学与密苏里科技大学合作开发了一种革命性的 3D 打印电池电极新方法创建具有受控孔隙率的 3D 微晶格结构。通过 3D 打印这种微晶格结构,极大地提高了锂离子电池的容量和充放电率。

3D 打印可用于制造锂离子电池的多孔电极——但由于制造过程的性质,这些 3D 打印电极的设计仅限于几种可能的架构。到目前为止,通过增材制造生产出最好的多孔电极的内部几何形状是所谓的交叉几何形状——金属叉头像两只紧握的手的手指一样互锁,锂在两侧穿梭。

通过使用 3D 打印创建微晶格电极结构,允许锂通过整个电极有效传输,这也提高了电池充电率。

3D打印还可以使得电池架构可以实现复杂几何形状,这是朝着电化学能量存储的几何优化配置迈出的重要一步。

探索3D打印在具有更高能量和功率密度的全固态锂金属电池中的应用,Ampcera与LLNL的合作将如何3D打印更安全、更便宜的锂电池,3D科学谷将保持持续关注!

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