十年后,電池格局將發(fā)生變化,而現(xiàn)在正處于這場革命的風(fēng)口浪尖,3D打印固態(tài)電池或許將是下一個風(fēng)口。
7月21日,中國科學(xué)院院士歐陽明高在世界動力電池大會上表示,從技術(shù)角度來看,固態(tài)電池將是最值得重視的技術(shù),2035年前一定會規(guī)模生產(chǎn)能量密度為500Wh/kg的下一代電池。
可見,未來的電池將以固態(tài)電池為主,但由于各種原因,通常是制造困難,固態(tài)電池從未真正投入生產(chǎn);而3D打印的出現(xiàn)將改變游戲規(guī)則,生產(chǎn)出下一代電池并將其推向市場。
3D打印電池常見工藝及電極、電解質(zhì)材料,圖片來自:Advanced Functional Materials
3D打印固態(tài)電池的優(yōu)勢體現(xiàn)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(shù)包括立體光刻成型(SLA)、模板輔助電化學(xué)沉積(TAE) 、噴墨打印 (IJP)、直接墨水書寫 (DIW)、熔融沉積成型 (FDM) 和氣溶膠噴射打印(AJP)。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(zhì)材料。
經(jīng)過多年的發(fā)展,無論是設(shè)備還是材料,已有多家公司從實驗室走到生產(chǎn)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(lǐng)域的5家代表公司的觀察,分析3D打印電池的發(fā)展現(xiàn)狀及未來方向。
美國Sakuu Corporation
總部位于硅谷的創(chuàng)業(yè)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(tài)電池的開發(fā)商,以下是Sakuu的發(fā)展軌跡。
- 2019年5月,Keracel宣稱在生產(chǎn)陶瓷固態(tài)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(tài)電池的發(fā)展。
- 2021年1月,Keracel完成1400萬美元的A輪融資,進一步推進固態(tài)電池的開發(fā)。
- 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(jié)構(gòu)的新型混合固態(tài)電池設(shè)計、能夠創(chuàng)建有源設(shè)備(如微反應(yīng)器或固態(tài)電池)的增材制造系統(tǒng),以及電子照相3D打印機。
- 2021年7月,Sakuu宣布已開發(fā)出一種3Ah鋰固態(tài)電池 (SSB),性能等同于或優(yōu)于當(dāng)前的鋰電池。
- 2021年8月,Sakuu開始建設(shè)一個新的試驗設(shè)施,用于生產(chǎn)3D打印固態(tài)電池,預(yù)計將于2022年年初完工,每年可生產(chǎn)高達2.5MWh的固態(tài)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(tǒng)同類產(chǎn)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(tài)電池在廣泛測試下已實現(xiàn)連續(xù)3C倍率放電。
- 2022年8月,Sakuu在硅谷開設(shè)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(xié)助開發(fā)固態(tài)電池,并為當(dāng)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(lǐng)域的一系列客戶交付第一代超安全固態(tài)電池 (SSB),同時開發(fā)第二代全打印SSB的能量密度超過1200 Wh/L。
與許多固態(tài)電池設(shè)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(zhì)。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。
Sakuu的3D打印電池生產(chǎn)線,圖片來自:Sakuu
該平臺基于麻省理工學(xué)院開發(fā)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(jié)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(jié)過程中會燃燒掉,形成通道、空隙和孔隙。
Sakuu2023年即將交付給用戶的固態(tài)電池,圖片來自:Sakuu
Sakuu的目標(biāo)是到2028年達到60GWh的電池產(chǎn)能,因此它還在進行AI控制的開發(fā),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(shè)計,每個3D打印過程都有模塊,以及材料處理、質(zhì)量控制、干燥和除粉等輔助過程,用戶可以根據(jù)其制造的產(chǎn)品定制機器。
德國,Blackstone Technology
專注于電池技術(shù)的瑞士投資公司Blackstone Resources于2019年成立了自己的德國研發(fā)子公司黑石科技(Blackstone Technology)。該公司在過去兩年中一直在開發(fā)和完善其鋰離子電池3D打印技術(shù),以下是黑石公司的發(fā)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(tài)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(chǎn)3D打印鋰基液體電解質(zhì)電池。同時,還將使用3D打印生產(chǎn)下一代電池:固態(tài)鈉電池。
- 2022年3月,該公司宣布,預(yù)計最早于2025年將3D打印的鈉離子電池商業(yè)化。除了軟包電池外,還將生產(chǎn)棱柱形電池。
黑石公司將其3D打印電池技術(shù)稱為“厚層技術(shù)”(Thick Layer Technology),用于生產(chǎn)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。
黑石科技在德國Dobeln的新工廠,圖片來自:黑石公司
據(jù)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(jié)省15%,材料節(jié)省20歐元/千瓦時,能源消耗降低23%。此外該流程基于環(huán)保的純水工藝,可減少50%的生產(chǎn)廢料。同時,3D打印可將固態(tài)電池的能量密度再增加70%,同時顯著提高充電循環(huán)次數(shù)。
黑石科技3D打印的鋰離子固態(tài)電池,圖片來自:黑石公司
黑石科技已將其初始目標(biāo)年產(chǎn)能設(shè)定為500兆瓦時,預(yù)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(biāo)是每年5GWh,第三階段最終目標(biāo)是超過10GWh,未來生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)能目標(biāo)是每秒生產(chǎn)一個電池。
美國,6K
與前面2家專注于3D打印電池設(shè)備不同,美國初創(chuàng)公司6K專注于3D打印金屬粉末和鋰電材料生產(chǎn),并開發(fā)了“UniMelt系統(tǒng)”的微波等離子生產(chǎn)工藝,能夠以快速、環(huán)保的形式生產(chǎn)電池材料。以下是6K公司的發(fā)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(fā)用于儲能設(shè)備的新型可持續(xù)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(fā)中心建設(shè)。
- 2021年10月,6K 增材制造部門Additive通過收購特種冶金產(chǎn)品(SMP) 增強其金屬合金產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)能規(guī)劃為10至20千兆瓦時的電池陰極工廠,并于2024年8月投產(chǎn)。
- 2022年10月,6K Energy與ONE簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議,為后者開發(fā)和生產(chǎn)其Gemini 和 Aries電池平臺中使用的關(guān)鍵電池材料。
UniMelt系統(tǒng)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(zhuǎn)化為3D打印金屬粉末。
6K的UniMelt微波等離子生產(chǎn)設(shè)備,圖片來自:6K
據(jù)6K表示,如果用UniMelt工藝取代傳統(tǒng)的電池陰極制造設(shè)施,用水量將減少90%,并且將完全消除100%的廢水;該設(shè)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(fā)環(huán)保的3D打印電池,并表示會持續(xù)加大投資力度,優(yōu)化3D打印燃料電池在汽車中的應(yīng)用。
photocentric生產(chǎn)的3D打印燃料電池概念圖,圖片來自:photocentric
同時,photocentric還開發(fā)了一個獨立的3D打印電池系統(tǒng),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(yè)電極粉末和導(dǎo)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(jié)以去除聚合物并僅留下活性電極材料。
用于3D打印電池的photocentric光固化設(shè)備,圖片來自:photocentric
據(jù)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(biāo)是開發(fā)3D打印電池,用于特斯拉的Giga工廠內(nèi)。現(xiàn)在,這家英國公司正在加緊制定增材制造燃料電池的開發(fā)計劃,尋求利用VLP技術(shù)來實現(xiàn)汽車電池的低成本大規(guī)模制造。
中國,高能數(shù)造
高能數(shù)造(西安)技術(shù)有限公司是國內(nèi)首家聚焦并推出3D打印電池設(shè)備的產(chǎn)業(yè)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(shù)百萬人民幣的種子輪投資。
高能數(shù)造的2款電池專用型3D打印機,圖片來自:高能數(shù)造
漿料擠出層疊技術(shù)(SEL-Slurryextrusionlamination)SEL技術(shù)是高能數(shù)造針對電池研制用戶的專業(yè)需求而自主開發(fā)的3D打印電池技術(shù),該技術(shù)通過從打印噴嘴中擠出具有剪切變稀性質(zhì)的電池漿料并將漿料層層堆疊后構(gòu)筑出預(yù)先數(shù)字化設(shè)計的三維電極。
基于該工藝,2022年6月,高能數(shù)造發(fā)布了兩款S系列電池專用型3D打印機:S180BM和S200BH設(shè)備,同時還推出了一款可根據(jù)用戶需求定制的電池專用型3D打印機。
高能數(shù)造3D打印的全極耳圓盤電池,圖片來自:高能數(shù)造
2022年9月,高能數(shù)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(shù)制造而成,這也是高能數(shù)造產(chǎn)品化落地的首次嘗試。據(jù)高能數(shù)造表示,接下來的10月即將推出第二代3D打印電池設(shè)備。
據(jù)研究機構(gòu)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(yù)計將以19.53%的復(fù)合年增長率增長,這得益于能源存儲需求的持續(xù)增長、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器等發(fā)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(shè)備等許多領(lǐng)域。但在實現(xiàn)真正的規(guī)模生產(chǎn)和具備商業(yè)競爭力之前 ,還有一段路要走,更多可選的材料和更穩(wěn)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(nèi)基于3D打印的電池技術(shù)還需要進一步的提升,也期待有更多的3D打印企業(yè)參與其中。無論是設(shè)備廠商,還是材料廠商,都不要錯過這個大的風(fēng)口,起步不至于太慢,我們就還有后來居上的機會。
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