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LLNL和AMPCERA合作3D打印鋰離子電池陰極

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勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 與電池材料專家 Ampcera 合作，使用 3D 打印技術(shù)開發(fā)下一代鋰電池陰極。該項目得到美國能源部先進制造辦公室 150 萬美元的支持，研究合作伙伴將利用無溶劑激光粉末床融合 (LPBF) 工藝。這項工作的目的是創(chuàng)建獨特的 3D 電池結(jié)構(gòu)，能夠更快地充電和更高的能量密度，同時削減制造成本和降低能耗。

“我贊賞能源部在加州投資數(shù)百萬美元用于創(chuàng)新清潔能源項目，”美國參議員亞歷克斯·帕迪拉 (Alex Padilla) 說。 “實現(xiàn)我們的排放目標和應對氣候危機需要齊心協(xié)力開發(fā)新技術(shù)——包括更好的鋰離子電池。今天的研究將使我們能夠在未來幾年創(chuàng)造一個強大的清潔能源經(jīng)濟。”

選擇 3D 打印有望降低成本并提高性能。圖片來自 LLNL。

對高性能電池的需求

一些行業(yè)專家如材料供應商 6K 的首席執(zhí)行官 Aaron Bent 估計，未來十年鋰離子電池市場將增長十倍。隨著電動汽車行業(yè)以及電信備份、數(shù)據(jù)中心和發(fā)電廠的興起，未來的鋰離子電池需要以更低的成本提供更高的能量和功率密度。據(jù) LLNL 稱，當今廣泛使用的基于漿料澆鑄和涂層的電池制造技術(shù)正在努力推進上述指標。這些方法利用能源密集型工藝，并依賴危險溶劑作為電極的原材料。

此外，它們基于專門的生產(chǎn)線，一次只能生產(chǎn)一種類型的電池，這意味著在電池幾何形狀方面沒有設(shè)計靈活性。

3D打印方法

由該項目首席研究員葉建超領(lǐng)導的團隊現(xiàn)在正在尋求使用 LPBF 將正極粉末混合物熱熔到鋁集流體上，以創(chuàng)建定制的高性能電池結(jié)構(gòu)。由于其在固態(tài)電解質(zhì)和電極材料方面的專業(yè)知識，Ampcera 將提供陰極粉末，而 LLNL 將進行 3D 打印操作。LLNL 聲稱，通過消除陰極溶劑的使用，它可以實現(xiàn)大批量電池制造并提高生產(chǎn)率。添加劑方法還有望降低整體能源消耗和成本，并提高能量密度。葉建超補充說：“環(huán)保工藝允許加工厚的高容量 3D 陰極結(jié)構(gòu)，使鋰離子電池能夠在 15 分鐘或更短的時間內(nèi)達到 80% 的快速充電目標。”展望未來，在評估其在該領(lǐng)域的表現(xiàn)之前，兩家組織將繼續(xù)密切合作以開發(fā) 3D 打印電池。

Ampcera 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官杜輝總結(jié)道：“LLNL 與 Ampcera 的合作將加速用于高性能鋰電池制造的超快速和低成本 L-PBF 增材制造技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化。在開發(fā)出 3D 結(jié)構(gòu)正極后，我們希望將該技術(shù)擴展到負極設(shè)計，并進一步探索其在具有更高能量和功率密度的全固態(tài)鋰金屬電池中的應用。”

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。照片來自美國能源部。

點評：儲能設(shè)備的 3D 打印在很大程度上是一個利基領(lǐng)域，但也有公司致力于將該技術(shù)商業(yè)化。今年早些時候，專注于電池技術(shù)的瑞士投資公司 Blackstone Resources 宣布，預計最早將于 2025 年開始將新的 3D 打印鈉離子電池設(shè)計商業(yè)化。該公司自己的德國研發(fā)子公司 Blackstone Technology 將與一個由學術(shù)和工業(yè)合作伙伴組成的聯(lián)盟，將在未來三年內(nèi)在現(xiàn)實世界的用例中展示其 3D 打印固態(tài)電池。

在其他地方，電池 3D 打印專家 Sakuu Corporation 最近在其鋰金屬電池的開發(fā)方面達到了一個新的里程碑，達到了 800 Wh/L 的基準能量密度。據(jù)該公司稱，這一成就是其向 2023 年實現(xiàn)超過 1,200 Wh/L 的全 3D 打印固態(tài)電池路線圖邁出的重要一步。