創(chuàng)新儲(chǔ)能技術(shù)：微納3D打印在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景

在當(dāng)前全球能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和清潔能源轉(zhuǎn)型的大背景下，新能源儲(chǔ)能市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展已成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和技術(shù)創(chuàng)新的重要引擎。與此同時(shí)，3D打印技術(shù)以其高精度、高品質(zhì)的制造特性，能夠迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備，有效縮短研發(fā)周期，并優(yōu)化電池組件的空間配置。該技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用正逐步成為推動(dòng)電池制造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心力量，為我國電池產(chǎn)業(yè)的持續(xù)繁榮和健康發(fā)展注入了新的動(dòng)能。

依據(jù)Grand View Research的報(bào)告，2023年全球電池市場(chǎng)已實(shí)現(xiàn)1182億美元的規(guī)模，且據(jù)預(yù)測(cè)，在2024年至2030年期間，該市場(chǎng)將維持16.1%的復(fù)合年增長(zhǎng)率。電動(dòng)汽車的日益普及，加之可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)擴(kuò)展，共同推動(dòng)了市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。能源轉(zhuǎn)型向可持續(xù)性的邁進(jìn)，催生了對(duì)于高效、經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)能解決方案的強(qiáng)烈需求。世界各國政府正積極出臺(tái)相關(guān)政策和激勵(lì)措施，旨在促進(jìn)電動(dòng)汽車的廣泛采用和可再生能源的深入發(fā)展，這將進(jìn)一步加速電池市場(chǎng)的增長(zhǎng)勢(shì)頭。

在新能源電池的研發(fā)過程中，需要不斷地進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和性能測(cè)試。3D打印技術(shù)可以快速地制造出所需復(fù)雜結(jié)構(gòu)原型，避免了開模的成本和時(shí)間浪費(fèi)，使研發(fā)人員能夠在短時(shí)間內(nèi)得到實(shí)物樣品，進(jìn)行各種性能測(cè)試和驗(yàn)證。這樣可以大大縮短研發(fā)周期，減少了制造過程中的中間環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率和良品率，加快新產(chǎn)品的推出速度。

微納3D打印技術(shù)能夠高效地生產(chǎn)精密復(fù)雜的零部件，靈活應(yīng)對(duì)單件或小批量生產(chǎn)需求并實(shí)現(xiàn)高密度的部件布局。以下將通過幾組具體案例，對(duì)摩方微納3D打印技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)分析。

01
微納多孔分離器

在當(dāng)前能源技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)快速充電與維持鋰離子電池（LIBs）穩(wěn)定性，其關(guān)鍵在于電極間鋰離子的迅速傳輸。來自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)戴維斯分校等研究團(tuán)隊(duì)，借助摩方精密面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2 μm），成功研制出己二醇二丙烯酸酯（HDDA）多孔隔膜，并對(duì)其在鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）/石墨全電池體系中的電性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

此項(xiàng)研究成果不僅為高能量、高功率以及長(zhǎng)循環(huán)壽命LIBs的3D隔膜增材制造提供了新的技術(shù)路徑，更為電池隔膜領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

doi：10.1021/acsaenm.4c00438

02
金屬微點(diǎn)陣

湖南大學(xué)段輝高教授、張冠華副教授、張夏楠等人突破傳統(tǒng)鋅負(fù)極優(yōu)化策略，提出“多功能3D結(jié)構(gòu)電極”新思路，通過利用nanoArch® P140 (精度：10 μm）和化學(xué)沉積/電沉積技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化鋅負(fù)極的可靠制造。

此外，由3D Ni-Zn微點(diǎn)陣負(fù)極和聚苯胺插層的氧化釩正極組裝而成的全電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。這種具有有序3D通孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金屬微點(diǎn)陣為開發(fā)其它高性能金屬(如Li,Na, K, Mg, Al)電池提供了新的思路。

doi：10.1002/aenm.202003927

03
親鋰氧化石墨烯多通道結(jié)構(gòu)

清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授和丘陵副教授等人采用連續(xù)離心鑄造法制備了大面積氧化石墨烯（GO）作為鋰金屬的宿主，然后使用3D打印模板通過簡(jiǎn)單的沖壓方法在其中制造對(duì)齊的微通道。

GO基體有效地調(diào)節(jié)了鋰的沉積/剝離行為，而對(duì)齊的通道均勻地分布了鋰離子通量并提供了短的鋰離子擴(kuò)散路徑。同時(shí)，Li/多孔GO復(fù)合材料具有柔韌性，其可控厚度為50至150 μm，對(duì)應(yīng)的容量為9.881至27.601 mAh cm-2。該團(tuán)隊(duì)利用nanoArch® S140（精度：10 μm）成功打印微柱模具，并結(jié)合沖壓模塑的方式制備具有均勻排布的通道氧化石墨烯結(jié)構(gòu)，助力高性能電極以及全電池的制備。

doi：10.1002/adfm.202200682

新能源儲(chǔ)能技術(shù)作為影響全球能源格局的關(guān)鍵因素之一，其發(fā)展走向直接關(guān)聯(lián)到能源戰(zhàn)略的整體布局。在當(dāng)前全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，緊跟世界新能源科技向綠色低碳、智能化、高效能、多元化發(fā)展的趨勢(shì)，各行業(yè)需要科學(xué)規(guī)劃并構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系之中長(zhǎng)期愿景與目標(biāo)。因此，積極運(yùn)用微納3D打印等前沿高新技術(shù)，并結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，以指導(dǎo)技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，或許正是推動(dòng)新能源儲(chǔ)能轉(zhuǎn)型邁入新階段的關(guān)鍵所在。