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      告別“寧德時代”,3D打印下一代電池上場,改變游戲規則 

      發布時間: 2022-10-10 22:54
      十年后,電池格局將發生變化,而現在正處于這場革命的風口浪尖,3D打印固態電池或許將是下一個風口。

      7月21日,中國科學院院士歐陽明高在世界動力電池大會上表示,從技術角度來看,固態電池將是最值得重視的技術,2035年前一定會規模生產能量密度為500Wh/kg的下一代電池。

      可見,未來的電池將以固態電池為主,但由于各種原因,通常是制造困難,固態電池從未真正投入生產;而3D打印的出現將改變游戲規則,生產出下一代電池并將其推向市場。
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      3D打印電池常見工藝及電極、電解質材料,圖片來自:Advanced Functional Materials

      3D打印固態電池的優勢體現在原材料易獲得、更安全、更有效、成本更低,適用于任何形狀。目前,用于制造電池的主要3D打印技術包括立體光刻成型(SLA)、模板輔助電化學沉積(TAE) 、噴墨打印 (IJP)、直接墨水書寫 (DIW)、熔融沉積成型 (FDM) 和氣溶膠噴射打。ˋJP)。打印的電極材料主要包括石墨烯、碳納米管、碳納米纖維和LTO/LFP,以及電解質材料。

      經過多年的發展,無論是設備還是材料,已有多家公司從實驗室走到生產車間,將3D打印電池推向市場。今天,資源庫將通過對這一細分領域的5家代表公司的觀察,分析3D打印電池的發展現狀及未來方向。

      美國Sakuu Corporation
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      總部位于硅谷的創業公司Sakuu成立于2016年,其前身為KeraCel,同時也是世界首個3D打印固態電池的開發商,以下是Sakuu的發展軌跡。

      • 2019年5月,Keracel宣稱在生產陶瓷固態鋰電池方面取得了新的進展。
      • 2019年8月,日本汽車零部件制造商Musashi Seimitsu對Keracel進行投資,加速3D打印固態電池的發展。
      • 2021年1月,Keracel完成1400萬美元的A輪融資,進一步推進固態電池的開發。
      • 2021年4月,KeraCel將公司名稱更改為Sakuu Corporation。
      • 2021年6月,Sakuu宣布獲得三項新專利:具有密封陽極結構的新型混合固態電池設計、能夠創建有源設備(如微反應器或固態電池)的增材制造系統,以及電子照相3D打印機。
      • 2021年7月,Sakuu宣布已開發出一種3Ah鋰固態電池 (SSB),性能等同于或優于當前的鋰電池。
      • 2021年8月,Sakuu開始建設一個新的試驗設施,用于生產3D打印固態電池,預計將于2022年年初完工,每年可生產高達2.5MWh的固態電池。
      • 2022年3月,Sakuu推出第一代非打印鋰金屬電池達到了800Wh/L的能量密度,重量僅為傳統同類產品三分之一、尺寸為一半。
      • 2022年6月,Sakuu宣布其第一代非印刷鋰金屬電池 - Swift Print 固態電池在廣泛測試下已實現連續3C倍率放電。
      • 2022年8月,Sakuu在硅谷開設占地7.9萬平方英尺的新工程中心,這也是Sakuu的第一家3D打印電池工廠,被稱為3D打印平臺超級工廠(Sakuu G-One計劃)。
      • 2022年9月,Sakuu宣布與日本NGK合作,NGK將協助開發固態電池,并為當前和未來的電池制造提供陶瓷材料。
      • 2023年,Sakuu將向電動汽車和儲能領域的一系列客戶交付第一代超安全固態電池 (SSB),同時開發第二代全打印SSB的能量密度超過1200 Wh/L。

      與許多固態電池設計一樣,Sakuu的電池單元包括鋰金屬陽極,以及將陽極和陰極分開的陶瓷電解質。Sakuu的多材料多工藝Kavian 3D打印平臺,可以在同一層打印玻璃、金屬、聚合物和陶瓷,完成電池的全打印。
      Sakuú的3D打印電池生產線.jpeg

      Sakuu的3D打印電池生產線,圖片來自:Sakuu

      該平臺基于麻省理工學院開發的粘合劑噴射打印工藝,在粘合劑噴射中,液體試劑沉積在粉末顆粒的薄床上。更精細的細節使用不同的材料噴射,包括專有的陶瓷粉末和粘合劑,以及稱為PoraLyte的支撐材料。這是一種類似聚合物的支撐材料,在燒結過程中會燃燒掉,形成通道、空隙和孔隙。

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      Sakuu2023年即將交付給用戶的固態電池,圖片來自:Sakuu

      Sakuu的目標是到2028年達到60GWh的電池產能,因此它還在進行AI控制的開發,打造一個“黑燈”工廠。同時,為了適用于更廣的市場需求,該平臺還采用了模塊化設計,每個3D打印過程都有模塊,以及材料處理、質量控制、干燥和除粉等輔助過程,用戶可以根據其制造的產品定制機器。

      德國,Blackstone Technology
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      專注于電池技術的瑞士投資公司Blackstone Resources于2019年成立了自己的德國研發子公司黑石科技(Blackstone Technology)。該公司在過去兩年中一直在開發和完善其鋰離子電池3D打印技術,以下是黑石公司的發展軌跡。

      • 2021年4月,黑石公司對外宣稱已成功打印首款可工作的鋰離子固態電池。
      • 2021年11月,黑石公司在薩克森州Dobeln的工廠開始批量生產3D打印鋰基液體電解質電池。同時,還將使用3D打印生產下一代電池:固態鈉電池。
      • 2022年3月,該公司宣布,預計最早于2025年將3D打印的鈉離子電池商業化。除了軟包電池外,還將生產棱柱形電池。

      黑石公司將其3D打印電池技術稱為“厚層技術”(Thick Layer Technology),用于生產電池電極和鋰離子電池的隔膜,但是并沒有過多的介紹其工作流程。

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      黑石科技在德國Dobeln的新工廠,圖片來自:黑石公司

      據黑石公司稱,其3D打印電池能量密度提高了約20%,高達220Wh/kg,電池空間節省15%,材料節省20歐元/千瓦時,能源消耗降低23%。此外該流程基于環保的純水工藝,可減少50%的生產廢料。同時,3D打印可將固態電池的能量密度再增加70%,同時顯著提高充電循環次數。
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      黑石科技3D打印的鋰離子固態電池,圖片來自:黑石公司

      黑石科技已將其初始目標年產能設定為500兆瓦時,預計將在明年年底前達到。盡管尚未確定時間表,但第二階段目標是每年5GWh,第三階段最終目標是超過10GWh,未來生產設備的產能目標是每秒生產一個電池。

      美國,6K
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      與前面2家專注于3D打印電池設備不同,美國初創公司6K專注于3D打印金屬粉末和鋰電材料生產,并開發了“UniMelt系統”的微波等離子生產工藝,能夠以快速、環保的形式生產電池材料。以下是6K公司的發展軌跡。

      • 2021年4月,6K宣布為其能源部門6K Energy建立卓越中心,占地3.3萬平方英尺,投資將達2500萬美元,主要用于開發用于儲能設備的新型可持續電池材料。
      • 2021年9月,6K獲得5100萬美元C輪融資,以支持其電池開發中心建設。
      • 2021年10月,6K 增材制造部門Additive通過收購特種冶金產品(SMP) 增強其金屬合金產品組合。
      • 2022年5月,6K獲得超過1.02億美元D輪融資,加速6K能源部門的陰極電極生產工廠的部署。
      • 2022年8月,6K將耗資3000萬美金建立新的電池卓越中心,推進第一個產能規劃為10至20千兆瓦時的電池陰極工廠,并于2024年8月投產。
      • 2022年10月,6K Energy與ONE簽署聯合開發協議,為后者開發和生產其Gemini 和 Aries電池平臺中使用的關鍵電池材料。

      UniMelt系統是基于6K的微波等離子工藝,可將銑削、車削和其他回收原料轉化為3D打印金屬粉末。

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      6K的UniMelt微波等離子生產設備,圖片來自:6K

      據6K表示,如果用UniMelt工藝取代傳統的電池陰極制造設施,用水量將減少90%,并且將完全消除100%的廢水;該設施還將使能源使用量和溫室氣體排放量減少多達70%。

      英國,photocentric

      3D打印機和材料制造商photocentric成立于2002年,2020年9月,該公司宣布成立3D打印電池研究部門,致力于開發環保的3D打印電池,并表示會持續加大投資力度,優化3D打印燃料電池在汽車中的應用。
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      photocentric生產的3D打印燃料電池概念圖,圖片來自:photocentric

      同時,photocentric還開發了一個獨立的3D打印電池系統,打印過程類似于使用光聚合工藝。電極使用專有的光聚合物樹脂進行3D打印,這種樹脂可用作商業電極粉末和導電添加劑的粘合劑;然后清潔和固化生胚打印部件,接著進行脫脂和燒結以去除聚合物并僅留下活性電極材料。
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      用于3D打印電池的photocentric光固化設備,圖片來自:photocentric

      據資源庫了解,該公司正在使用的電極材料包括鈷酸鋰(LCO)和鈦酸鋰(LTO),Photocentric的目標是開發3D打印電池,用于特斯拉的Giga工廠內,F在,這家英國公司正在加緊制定增材制造燃料電池的開發計劃,尋求利用VLP技術來實現汽車電池的低成本大規模制造。

      中國,高能數造

      高能數造(西安)技術有限公司是國內首家聚焦并推出3D打印電池設備的產業化公司,成立于2021年。由西安交大長春3D打印中心孵化,剛成立不久就獲得數百萬人民幣的種子輪投資。
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      高能數造的2款電池專用型3D打印機,圖片來自:高能數造

      漿料擠出層疊技術(SEL-Slurryextrusionlamination)SEL技術是高能數造針對電池研制用戶的專業需求而自主開發的3D打印電池技術,該技術通過從打印噴嘴中擠出具有剪切變稀性質的電池漿料并將漿料層層堆疊后構筑出預先數字化設計的三維電極。

      基于該工藝,2022年6月,高能數造發布了兩款S系列電池專用型3D打印機:S180BM和S200BH設備,同時還推出了一款可根據用戶需求定制的電池專用型3D打印機。
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      高能數造3D打印的全極耳圓盤電池,圖片來自:高能數造

      2022年9月,高能數造3D打印的全極耳圓盤電池首次公開亮相,該電池的圓形正極片、圓形負極片、圓形電池殼均為3D打印技術制造而成,這也是高能數造產品化落地的首次嘗試。據高能數造表示,接下來的10月即將推出第二代3D打印電池設備。

      據研究機構Strategic Market Research的最新報告顯示,從2020到2030年,全球3D打印電池市場預計將以19.53%的復合年增長率增長,這得益于能源存儲需求的持續增長、可穿戴設備和物聯網(IoT)傳感器等發展。

      市場前景是廣闊的,3D打印電池的用途不局限于電動汽車,還包括手機、可穿戴設備等許多領域。但在實現真正的規模生產和具備商業競爭力之前 ,還有一段路要走,更多可選的材料和更穩定的打印,將是3D打印電池走向批量制造需要解決的問題。

      另外,國內基于3D打印的電池技術還需要進一步的提升,也期待有更多的3D打印企業參與其中。無論是設備廠商,還是材料廠商,都不要錯過這個大的風口,起步不至于太慢,我們就還有后來居上的機會。
      聲明:本文是 3D打印資源庫網 原創文章,如需轉載請注明出處,并鏈接回本站。如果希望被資源庫報道,可 填寫信息 告訴我們。如對文章有異議或投訴,請联系[email protected]。
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