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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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目得到美國(guó)能源部先進(jìn)制造辦公室 150 萬(wàn)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(xiàng)工作的目的是創(chuàng)建獨(dú)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(shí)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(wàn)美元用于創(chuàng)新清潔能源項(xiàng)目，”美國(guó)參議員亞歷克斯·帕迪拉 (Alex Padilla) 說。 “實(shí)現(xiàn)我們的排放目標(biāo)和應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)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(gè)強(qiáng)大的清潔能源經(jīng)濟(jì)。”

選擇 3D 打印有望降低成本并提高性能。圖片來自 LLNL。

對(duì)高性能電池的需求

一些行業(yè)專家如材料供應(yīng)商 6K 的首席執(zhí)行官 Aaron Bent 估計(jì)，未來十年鋰離子電池市場(chǎng)將增長(zhǎng)十倍。隨著電動(dòng)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(dāng)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(jìn)上述指標(biāo)。這些方法利用能源密集型工藝，并依賴危險(xiǎn)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(jì)靈活性。

3D打印方法

由該項(xiàng)目首席研究員葉建超領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)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(shí)，Ampcera 將提供陰極粉末，而 LLNL 將進(jìn)行 3D 打印操作。LLNL 聲稱，通過消除陰極溶劑的使用，它可以實(shí)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(bǔ)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(shí)間內(nèi)達(dá)到 80% 的快速充電目標(biāo)。”展望未來，在評(píng)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(kuò)展到負(fù)極設(shè)計(jì)，并進(jìn)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(yīng)用。”

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。照片來自美國(guó)能源部。

點(diǎn)評(píng)：儲(chǔ)能設(shè)備的 3D 打印在很大程度上是一個(gè)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(shí)候，專注于電池技術(shù)的瑞士投資公司 Blackstone Resources 宣布，預(yù)計(jì)最早將于 2025 年開始將新的 3D 打印鈉離子電池設(shè)計(jì)商業(yè)化。該公司自己的德國(guó)研發(fā)子公司 Blackstone Technology 將與一個(gè)由學(xué)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(shí)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(dá)到了一個(gè)新的里程碑，達(dá)到了 800 Wh/L 的基準(zhǔn)能量密度。據(jù)該公司稱，這一成就是其向 2023 年實(shí)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。