首爾國立大學(xué)表明3D打印正驅(qū)動(dòng)能源設(shè)備創(chuàng)新，覆蓋發(fā)電、能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)應(yīng)用

南極熊導(dǎo)讀：隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，增材制造正在重塑能源行業(yè)的未來格局，在核能、可再生能源、石油天然氣以及渦輪機(jī)械等領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大潛力。

△3D打印技術(shù)正驅(qū)動(dòng)能源設(shè)備創(chuàng)新示意圖

2025年7月10日，南極熊獲悉，韓國首爾國立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Microsystems & Nanoengineering》期刊上發(fā)表了一篇全面的綜述文章，重點(diǎn)探討了增材制造技術(shù)如何革新能源技術(shù)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。該綜述對(duì)3D打印在能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)中的最新進(jìn)展進(jìn)行了分類，展示了增材制造如何使能源設(shè)備在整個(gè)生命周期中變得更高效、更緊湊和更實(shí)用。

△相關(guān)研究題目為“3D打印能源設(shè)備：發(fā)電、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)”（傳送門）

傳統(tǒng)能源設(shè)備通常受到減材制造工藝的限制，包括材料兼容性受限和幾何復(fù)雜性受限。研究表明，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)控制、快速成型以及微米和納米尺度的可擴(kuò)展制造，從而突破了這些限制。事實(shí)證明，這些能力對(duì)于開發(fā)高性能、特定應(yīng)用的能源解決方案至關(guān)重要。

△模仿肺部結(jié)構(gòu)并借鑒骨骼設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了燃料電池的3D打印流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

生物啟發(fā)的能源生產(chǎn)突破

在能源生產(chǎn)領(lǐng)域，研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)了仿生設(shè)計(jì)的聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC），功率密度提升了30%。此外，采用類似骨骼結(jié)構(gòu)的鈦氣體擴(kuò)散層，性能也提升了15%。太陽能應(yīng)用方面，通過直接墨水寫入（DIW）技術(shù)生產(chǎn)的銀網(wǎng)電極實(shí)現(xiàn)了26.47%的高功率轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，基于折紙?jiān)O(shè)計(jì)的FDM打印方法支持了柔性、可穿戴光伏電池的制造。

燃料電池、水分解系統(tǒng)和微生物燃料電池同樣從3D打印的多孔結(jié)構(gòu)中受益，這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化了物質(zhì)傳輸并增加了活性表面積，進(jìn)而顯著提升了電壓、效率和可擴(kuò)展性。

△受折紙啟發(fā)的可拉伸光伏結(jié)構(gòu)

能量轉(zhuǎn)換裝置走向3D化

增材制造技術(shù)正在推動(dòng)壓電、摩擦電和熱電系統(tǒng)的創(chuàng)新。例如，利用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)，研究人員制造出了無需后極化的可編程各向異性響應(yīng)壓電超材料。而通過FDM和DIW技術(shù)制造的分層結(jié)構(gòu)，顯著提升了摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）的性能。

熱電發(fā)電機(jī)（TEG）方面，保形3D打印技術(shù)使設(shè)備更好地貼合曲面熱源，提高了能量獲取能力。研究展示了核殼微晶格和基于碳納米管（CNT）的架構(gòu)，品質(zhì)因數(shù)（ZT）高達(dá)1.09，超過了傳統(tǒng)制造的TEG性能。

△3D打印壓電超材料和摩擦電絨毛結(jié)構(gòu)，用于增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換

結(jié)構(gòu)智能的存儲(chǔ)解決方案

在能源存儲(chǔ)方面，3D打印電池和超級(jí)電容器的進(jìn)展同樣值得關(guān)注。DIW和DLP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多孔電極結(jié)構(gòu)，而SLA技術(shù)則使得電極設(shè)計(jì)的面積容量達(dá)到3.6 Ah/g。微晶格鋅陽極展現(xiàn)了無枝晶特性，而基于石墨烯氣凝膠和DLP打印的八面桁架電極的超級(jí)電容器，面積電容高達(dá)207.9 F/cm²，并具有增強(qiáng)的機(jī)械彈性。

一些電池系統(tǒng)甚至被設(shè)計(jì)為承重部件，這標(biāo)志著向集成到結(jié)構(gòu)元件中的多功能電源的轉(zhuǎn)變。

△合成過程及納米、微米和宏觀孔隙度的示意圖

這項(xiàng)技術(shù)面臨的困難與機(jī)遇

當(dāng)前，增材制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)主要集中在以下幾個(gè)方面：開發(fā)高性能的可打印材料、增強(qiáng)打印成品的機(jī)械強(qiáng)度、提升多材料及混合打印技術(shù)的能力，以及擴(kuò)展生產(chǎn)規(guī)模以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。

研究人員強(qiáng)調(diào)了結(jié)合多種AM方法的混合打印系統(tǒng)制造完全集成能源設(shè)備的潛力。新興的3D打印技術(shù)，如體積3D打印和基于MEMS的全息系統(tǒng)，能夠即時(shí)制造出適用于燃料電池和微流體的復(fù)雜幾何形狀。

顆粒擠出技術(shù)因它在大規(guī)模生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)高效性而受到青睞，尤其適用于電池外殼或超級(jí)電容器基板的生產(chǎn)。在微觀結(jié)構(gòu)層面，混合FDM（b-FDM）技術(shù)能夠精確控制材料梯度，從而打造具有定制電學(xué)和熱學(xué)性能的能源設(shè)備。同時(shí)，激光粉末床熔合（LPBF）技術(shù)的進(jìn)步，例如ADDiTEC的封閉粉末Fusion S系統(tǒng)，正在提高用于氫燃料電池和熱能系統(tǒng)的高性能金屬的打印質(zhì)量和安全性。

總體而言，這項(xiàng)研究表明，不斷進(jìn)步的3D打印技術(shù)正在為能源研究和工業(yè)可持續(xù)發(fā)展開辟新領(lǐng)域。