微纳3D打印在新能源电池领域的应用
发布日期：2024-11-29
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在当前全球能源结构优化和清洁能源转型的大背景下，新能源储能市场的蓬勃发展已成为推动经济增长和技术创新的重要引擎。与此同时，3D打印技术以其高精度、高品质的制造特性，能够迅速实现复杂结构的制备，有效缩短研发周期，并优化电池组件的空间配置。该技术的创新应用正逐步成为推动电池制造行业转型升级的核心力量，为我国电池产业的持续繁荣和健康发展注入了新的动能。
依据Grand View Research的报告，2023年全球电池市场已实现1182亿美元的规模，且据预测，在2024年至2030年期间，该市场将维持16.1%的复合年增长率。电动汽车的日益普及，加之可再生能源基础设施的持续扩展，共同推动了市场的快速增长。能源转型向可持续性的迈进，催生了对于高效、经济储能解决方案的强烈需求。世界各国政府正积极出台相关政策和激励措施，旨在促进电动汽车的广泛采用和可再生能源的深入发展，这将进一步加速电池市场的增长势头。
在新能源电池的研发过程中，需要不断地进行设计验证和性能测试。3D打印技术可以快速地制造出所需复杂结构原型，避免了开模的成本和时间浪费，使研发人员能够在短时间内得到实物样品，进行各种性能测试和验证。这样可以大大缩短研发周期，减少了制造过程中的中间环节，提高了生产效率和良品率，加快新产品的推出速度。
微纳3D打印技术能够高效地生产精密复杂的零部件，灵活应对单件或小批量生产需求并实现高密度的部件布局。以下将通过几组具体案例，对摩方微纳3D打印技术的应用效果进行详细分析。
01 微纳多孔分离器
在当前能源技术领域，实现快速充电与维持锂离子电池（LIBs）稳定性，其关键在于电极间锂离子的迅速传输。来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室、加州大学戴维斯分校等研究团队，借助摩方精密面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch® S130，精度：2 μm），成功研制出己二醇二丙烯酸酯（HDDA）多孔隔膜，并对其在锂镍锰钴氧化物（NMC）/石墨全电池体系中的电性能进行了验证。
此项研究成果不仅为高能量、高功率以及长循环寿命LIBs的3D隔膜增材制造提供了新的技术路径，更为电池隔膜领域的创新发展奠定了坚实基础。
doi：10.1021/acsaenm.4c00438
02 金属微点阵
湖南大学段辉高教授、张冠华副教授、张夏楠等人突破传统锌负极优化策略，提出“多功能3D结构电极”新思路，通过利用nanoArch® P140 (精度：10 μm）和化学沉积/电沉积技术成功实现结构功能一体化锌负极的可靠制造。
此外，由3D Ni-Zn微点阵负极和聚苯胺插层的氧化钒正极组装而成的全电池表现出了优异的电化学性能。这种具有有序3D通孔结构的导电金属微点阵为开发其它高性能金属(如Li,Na, K, Mg, Al)电池提供了新的思路。
doi：10.1002/aenm.202003927
03 亲锂氧化石墨烯多通道结构
清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授和丘陵副教授等人采用连续离心铸造法制备了大面积氧化石墨烯（GO）作为锂金属的宿主，然后使用3D打印模板通过简单的冲压方法在其中制造对齐的微通道。
GO基体有效地调节了锂的沉积/剥离行为，而对齐的通道均匀地分布了锂离子通量并提供了短的锂离子扩散路径。同时，Li/多孔GO复合材料具有柔韧性，其可控厚度为50至150 µm，对应的容量为9.881至27.601 mAh cm-2。该团队利用nanoArch® S140（精度：10 μm）成功打印微柱模具，并结合冲压模塑的方式制备具有均匀排布的通道氧化石墨烯结构，助力高性能电极以及全电池的制备。
doi：10.1002/adfm.202200682
新能源储能技术作为影响全球能源格局的关键因素之一，其发展走向直接关联到能源战略的整体布局。在当前全球能源转型的大背景下，紧跟世界新能源科技向绿色低碳、智能化、高效能、多元化发展的趋势，各行业需要科学规划并构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系之中长期愿景与目标。因此，积极运用微纳3D打印等前沿高新技术，并结合产业发展路线图，以指导技术研发与产业创新，或许正是推动新能源储能转型迈入新阶段的关键所在。
