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(shù),制造出復雜的聚合物結(jié)構(gòu),然后通過熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shù)字光處理工藝打印來創(chuàng)建3D聚合物結(jié)構(gòu),然后在1000?C的溫度下熱解,將其轉(zhuǎn)化為碳的結(jié)構(gòu)。"
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(xiàn)代人類生活中不可或缺的一部分,為從消費電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動力。因此,在電化學領(lǐng)域,有大量的研究專門針對提高儲能設(shè)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(wǎng)儲能等應(yīng)用,即使是最前沿的技術(shù),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(zhì)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(guān)系解耦,儲能設(shè)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(jīng)開始探索應(yīng)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(shù),加州理工學院的團隊能夠?qū)烧叩膬?yōu)點結(jié)合起來,用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極。由于這項技術(shù)能夠打印出厚厚的電極結(jié)構(gòu)與微觀和納米大小的子結(jié)構(gòu),為高性能電池生產(chǎn)的新方法鋪平了道路。
研究的主要作者Julia Greer教授總結(jié)道:"創(chuàng)建3D打印電極,并對結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)》
南極熊導讀:3D打印固態(tài)電池在2021年即將在德國量產(chǎn)!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(wǎng)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(shù),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(shù)。包括獲得專利的3D打印技術(shù)和對電池批量生產(chǎn)的研究。恰好的是,德國是全球3D打印技術(shù)最為發(fā)達的國家之一。
與目前的鋰離子電池技術(shù)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(chǎn)面臨的一些弱點:
不夠靈活,無法支持必須與產(chǎn)品設(shè)計相匹配的組件設(shè)計
它仍然太昂貴(目標:<80US $ / kWh)
不適用于未來的設(shè)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(jié)果。晶格意味著電極具有更大的暴露表面積,增大化學反應(yīng)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(zhì)即可以實現(xiàn)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(zhì)的傳統(tǒng)電池設(shè)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(chǎn)靈活性,可以不依賴電極化學性質(zhì)而實現(xiàn)這些優(yōu)點。
△3D打印固態(tài)電池生產(chǎn)工作流程
Blackstone的3D打印固態(tài)電池技術(shù),解決了這些弱點:
3D打印鋰離子電池生產(chǎn)已經(jīng)成熟,且有專利,在生產(chǎn)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(shù)時,可節(jié)省70%的CAPEX和30%的OPEX;
世界上第一個3D打印生產(chǎn)工藝,可以批量生產(chǎn)固態(tài)電池;
可將能量密度提高20%,用固態(tài)技術(shù)時可提高100%;
利用自身資源來縮短供應(yīng)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(shù)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(shù)方面的發(fā)展,為固態(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路。除了汽車工業(yè)等主要市場之外,船舶應(yīng)用和新型5G無線網(wǎng)絡(luò)也將會受益于3D打印固態(tài)電池的優(yōu)勢。”
△特斯拉的股價已經(jīng)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(shù)以及生產(chǎn)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(shù),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(chǎn)
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(shù)在2021年以各種形狀或形式來批量生產(chǎn)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(shè)了第一家3D打印電池生產(chǎn)工廠,配套德國的汽車制造業(yè),將大量生產(chǎn)用于工業(yè)應(yīng)用以及電動汽車的下一代電池。首期工廠的生產(chǎn)能力將達到每年0．5 GWh。
相關(guān)知情人告訴南極熊3D打印網(wǎng),首批固態(tài)電池原型已經(jīng)過測試,3D打印大量生產(chǎn)所需的許多電池復合材料、外殼和固態(tài)電解質(zhì)。在開發(fā)和測試了這項技術(shù)之后,Blackstone準備計劃生產(chǎn)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(chǎn)工藝,比傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)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(zhì)。
除黑石集團外,現(xiàn)在還有眾多公司爭相角逐下一代電池技術(shù)。在下一代技術(shù)(包括固態(tài)電池和新的先進制造技術(shù))方面,這些公司可能會擊敗特斯拉。
利用3D打印工藝技術(shù),美國Keracel能夠?qū)⑻沾呻娊赓|(zhì)厚度降低到100um,長期目標是達到15um。這些技術(shù)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(yīng)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。
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