替代锂电池！德国投入上亿，Fraunhofer领衔开发固态钠离子电池的3D打印技术

| 3DScienceValley · 2023/10/10

根据公开资料，锂资源的全球储量有限，锂元素在地壳中的含量仅为 0.0065%。随着新能源汽车的发展对电池的需求大幅上升，资源端的瓶颈逐渐显现，成本较高限制了锂离子电池的大规模应用。钠资源储量非常丰富，地壳丰度为 2.64%，是锂资源的 440 倍，且钠资源分布广泛、提炼简单。钠作为锂的替代品的角色出现，在电池领域得到越来越广泛的关注。

德国德国联邦经济事务和气候行动部资助的3DPrintBatt——“固态钠离子电池可持续、灵活增材制造技术”项目将持续到2025年2月。该项目总预算为2500万欧元（资金代码16BZF351C），德国弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所参与了该项目，其中大约50万欧元将投资于一条用于生产固态钠离子电池的新创新3D打印生产线，并将在该研究所设立。

3D打印钠离子电池
© Fraunhofer IFAM

根据3D科学谷，3D打印电池技术发展至今，不仅在“大局”上有不同之处，在最小的微米和纳米级别上也有所不同。在纳米级别，3D打印技术对电池电极的结构产生了很大影响，这就是能量密度增加的原因。长期以来，“多孔”电极可以提高能量密度，而增材制造非常适合该工艺，这意味着电极中的材料可以构建成三维点阵晶格结构。

新能源汽车产业链
© 3D科学谷白皮书

晶格结构可以为材料内部的电解质有效传输提供通道，就锂离子电池而言，具有多孔结构的电极可以带来更高的充电容量，这种结构允许锂穿透电极体积，导致非常高的电极利用率，从而具有更高的能量存储容量。在普通电池中，总电极体积的30%～50%未被利用，通过使用 3D 打印克服了这个问题。此外，通过创建微晶格电极结构，允许离子通过整个电极有效传输，这也提高了电池充电率。点阵晶格意味着电极有更多的暴露表面积，从而带来更高效的电池。

在“3DPrintBatt”项目中，弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所以及来自工业和研究领域的合作伙伴正在将用于电动汽车和其他应用的钠离子电池3D打印转移到试生产，专家们将电池专业知识与增材制造技术相结合，特别专注于浆料的开发和生产。

替代锂离子电池

根据弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所，未来的电池是安全的、可持续的、灵活的和强大的。这就是为什么德国正在研究新型固态电池，因为这类电池可以实现更高的能量密度和更高的安全性，在这种情况下，采用基于钠的固态电解质的电池代表了现有锂离子技术的一种有前途的替代品，因为原材料钠比锂更环保、更容易获得并且更便宜。

3D打印钠离子电池
© Fraunhofer IFAM

该项目的研究重点是固体离子导体的进一步开发以及电池单元的构建和表征。除了生产薄层以降低电池内阻之外，还必须研究出这种新电池技术的操作条件。

原型钠电池的生产将采用可使用多种活性材料的方式设计，因此，可以快速且经济高效地对电池的设计进行特定于产品的调整。弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所发现3D打印过程在这方面起着决定性的作用，除了实现灵活的几何适应之外，还可以优化体积。

该项目主要融合了浆料开发、打印工艺和加工领域的经验。浆料的开发和生产是后续电池的起点，这也是该项目特别关注的原因。通过印刷进行的后续加工受到特定浆料特性的显着影响，并且随后的电池性能也强烈依赖于印刷电极的成分和内部结构。

依靠该项目创新生产线的成果，Blackstone Technology GmbH 将在其位于萨克森州 Döbeln 的工厂建立一条中试生产线。3D打印钠离子电池将在合作伙伴 Eurabus 的电动巴士上进行评估。对该项目开发的进一步支持来自蔡司、粒子技术研究所、布伦瑞克工业大学以及弗劳恩霍夫IST 研究所和弗劳恩霍夫IKTS研究所。根据3D科学谷《能量翻倍，价格减半，洞悉黑石3D打印电池背后的技术逻辑》一文，黑石技术的3D打印工艺具有明显的优势。这些措施包括显著降低成本，提高电池尺寸的生产灵活性以及使能量密度提高20％。

此外，通过使用3D打印技术，可以将不存储能量的材料（即铜和铝）的数量减少多达10％。可以独立于电极化学性质实现这些优点。根据黑石技术，结合迄今为止在3D打印电池技术方面的发展，这一发展为固态电池的大规模生产铺平了道路。除了汽车工业等主要市场之外，船舶应用和新型5G无线网络还将受益于3D打印固态电池可以提供的优势。

从实验室走到工厂

那么是否仅仅德国和日本在重视钠离子固态电池的开发？答案是全世界都在重视这件事情。

根据科学中国，未来的十年,电池工业将经历一场革命性变革,目前的技术格局将会发生改变。在这场变革中,固态电池被视为备受瞩目的技术方向。在2022年7月21日举办的世界动力电池大会上,中国科学院院士欧阳明高指出,从技术角度来看,固态电池是最值得重视的技术之一,预计在2035年之前,将能够规模生产能量密度为500Wh/kg的下一代电池。然而,由于各种原因,制造固态电池一直存在一定的难度,迄今为止尚未真正投入生产。但是,随着3D打印技术的发展,它有望改变这种状况,帮助生产下一代电池。

经过多年的发展,无论是设备还是材料,已有多家公司从实验室走向生产车间,将3D打印电池推向市场。在国外,像美国Sakuu Corporation、德国Blackstone Technology、美国6K、英国photocentric等公司已经开始进军这个领域。而在国内,也有像高能数造(西安)技术有限公司这样的企业在积极探索3D打印电池技术的应用。

根据3D科学谷的市场观察，国内方面，此前，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅与副研究员郑双好团队，开发了可形成三维导电网络的电极油墨与高离子电导率的电解质油墨，显著提高了3D打印高载量微电极中的电子和离子传输效率，研制出了高容量、高倍率柔性化钠离子微型电池。研究团队通过3D打印构建出高面积比容量、高倍率平面钠离子微型电池。他们通过制备具有适当粘度和流变特性的3D打印电极油墨，3D打印厚电极（厚度可达1200μm）具有三维多孔导电框架结构，促进了离子传输动力学速率，降低了厚电极中的电子传输距离，有效提高了钠离子微型电池的电化学性能。该工作展现了3D打印高性能平面微型电池在可穿戴和便携式微电子领域的应用潜力。