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        3D打印新能源汽車電池潛力巨大:能量密度可提升一倍、成本降低一半

        來源:  2022-05-26 10:05:35

        用3D打印技術來生產鋰離子、鈉離子的新能源汽車電池,具有將能量密度提高一倍,制造成本降低一半的潛力。希望引起中國的重視。

        在全球能源轉型的大背景下,3D打印電池所展現出的高能量密度、可持續、輕量化等優勢是電動汽車市場迫切需要的。所以開發可商業化、大規模使用的3D打印電池將成為電動汽車行業未來的新方向。南極熊本期文章概述了當下全球3D打印電池在汽車行業的發展現狀,相信這將給我們增材制造以及汽車領域的發展帶來一些新的啟示。

        特斯拉電動汽車電池組拆解

        3D打印固態電池專家Sakuu

        Sakuu Corporation是一家總部位于美國加利福尼亞州的工業解決方案提供商,前身為KeraCel 公司,成立于2016年。Sakuu的3D打印平臺是一個用于靈活、經濟高效地大量生產復雜功能設備的多材料、多方法3D打印解決方案。這使能源行業內的制造商能夠改善成本、性能和當前固態電池選件的范圍。

        2019年5月份,Sakuu(也稱Keracel)公司宣稱在生產陶瓷固態鋰電電池方面取得了最新突破。同年8月,日本汽車零部件制造商Musashi Seimitsu Industry宣布與Sakuu建立了戰略合作伙伴關系,目標是加速3D打印固態電池的發展。他們的計劃是首先將該技術應用于摩托車行業,然后再去適應更廣泛的汽車行業。

        2021年6月17日,Sakuu Corporation宣布了三項專利:具有密封陽極結構的混合固態電池、能夠創建有源設備(如微反應器或固態電池)的增材制造系統,以及電子照相多材料3D打印機。

        △Sakuu AM平臺內部。照片來自Sakuu。

        2021年7月28日,Sakuu Corporation宣布已開發出一種3Ah鋰固態電池 (SSB),性能等同于或優于當前的鋰電池。Sakuú一直在開發第一代SSB電池技術及旗艦增材制造平臺,據稱平臺使用多材料粘合劑噴射工藝,并于2021年年底投入商業使用。第一代電池包括30個子電池,使用鋰金屬和陶瓷隔板。另外,電池設計使用當前行業標準陰極材料(未來或許會使用支持更高電壓的陰極材料),可產生高達25%的能量。

        △Sakuu的第一代固態電池。圖片由Sakuu提供。

        2021年8月22日, Sakuu公司開始著手于建設一個新的試驗設施,用于生產3D打印固態電池。據報道,這條試驗產線于2021年底完成,投產后每年將能生產高達2.5兆瓦時的固態電池。在未來幾年,它還將作為該公司的多材料3D打印系統"Sakuu AM平臺"的客戶學習中心。工程公司Relevant Industrial和霍尼韋爾將通過提供工程、工藝設計和系統集成支持來幫助建立該設施。

        △Sakuu即將推出的試驗生產線的效果圖。圖片來源于Sakuu公司

        Sakuu公司一直致力于3D打印固態電池的開發和推廣。固態電池與目前主流的傳統鋰電池最大的不同在于電解質。傳統鋰電池主要由正負極材料、電解液和隔膜組成。正負極材料決定了電池的容量,電解液及隔膜作為傳輸鋰離子的介質。而固態電池使用固體電解質,替代了傳統鋰電池的電解液和隔膜。與鋰電池相比,固態電池更加安全、更高的理論能量密度和更高的體積能量密度。但是,固態電池也有一定的局限性,比如固態電解質導電率低,不能快速充能;材料物理接觸會隨時間變差,影響使用壽命;制備工藝復雜。

        △電池結構示意圖

        △電池性能對比

        Sakuu的增材制造技術融合了粉末床和噴射材料沉積技術,并使用多種材料來制造零件。它結合了陶瓷和金屬以及Sakuu的PoraLyte支撐材料,消除了部件懸垂的限制,并能夠創建帶有內部通道和腔體的設備。

        Sakuu說,這項技術較現有產品有著很大的飛躍,能夠制造薄單片層和完美介面,從而生產高能量密度固態電池(SSB)。此外,得益于粉末到粉末工藝,據說陶瓷和金屬材料的可回收性比傳統方法更容易,不需要提取石墨,也不需要聚合物,這意味著減少了垃圾填埋或焚燒。

        △Sakuu電池3D打印使用了多重3D打印技術

        黑石3D打印固態電池開始量產

        2020年9月23日,來自瑞士的黑石資源公司(Blackstone Resources AG)宣布在3D打印鋰離子固態電池方面取得了一系列具有里程碑意義的成績。同年11月,黑石在德國德貝恩鎮薩克森州的Am Fuchsloch工業園區開設了第一家3D打印電池生產工廠,配套德國的汽車制造業,將大量生產用于工業應用以及電動汽車的下一代電池。更重要的是,該工廠的運作也代表了3D打印電池工業化生產的“第一炮”。

        據悉,黑石首期工廠的生產能力將達到每年0.5 GWh,到2025年,電池片的年產能達到3 GWh。這相當于為7.5萬輛叉車供電,如果達到這一目標,產量將逐步提高到每年10 GWh。該公司堅信,它可以大量、低成本地生產出具有更高能量密度水平的可靠鋰離子電池,其目標是使成本大大低于每千瓦時80歐元,這將代表存儲技術的最終突破。

        在2021年4月,黑石德國子公司Blackstone Technology GmbH對外宣稱已成功打印并測試了首款可工作的固態電池,并展示了由Blackstone固態電池供電的LED燈。

        △5x5平方厘米的袋式電池,帶有發光二極管

        在2021年6月21日,Blackstone Resources AG(SWX:BLS)宣布將子公司Blackstone Technology GmbH的電池業務擴展到美國市場,通過上市方式籌集額外資金。目前,黑石資源股份公司在瑞士證券交易所(Symbol BLS)上市,并已向黑石科技投入巨資。

        黑石的3D打印電池計劃曾獲得歐洲“地平線2020”計劃資助,在電池密度,充電周期和成本方面均取得了顯著成績。與使用液體電解質的傳統電池設計相比,Blackstone Technology的3D打印工藝具有明顯的優勢。綜合來講,Blackstone的3D打印固態電池技術,具備以下優點:

        1)  3D打印鋰離子電池生產已經成熟,且有專利,在生產過程中可提供最大的靈活性;

        2)可節省30%的CAPEX和10%的OPEX,而采用固態技術時,可節省70%的CAPEX和30%的OPEX;

        3)世界上第一個3D打印生產工藝,可以批量生產固態電池;

        4) 可將能量密度提高20%,使用固態技術時可提高100%;

        5) 利用自身資源來縮短供應鏈,并確保長期獲取電池材料;

        6) 通過將干燥過程減少50%,可將能源消耗降低25%,這是電池組電池最重要的制造成本——占總能源成本的45%至57%。

        △3D打印固態電池生產工作流程

        毫無疑問,作為3D打印電池行業的引路人,黑石的3D打印電池技術將為固態電池的生產奠定重要基礎。

        2021年12月7日,黑石公司在線上發布會上宣布首個大規模3D打印鋰電池工廠將開工生產。據悉,Blackstone Technology已將初始目標年產能設定為500 MWh,預計將在2022年底前完成目標。盡管尚未確定時間表,但增長計劃的第二階段目標是每年5GWh,第三階段最終目標是超過10GWh。

        △位于德國D?beln的新制造工廠。圖片來自Blackstone Technology。

        △Blackstone Technology的3D打印鋰電池。圖片來自Blackstone Technology。

        2022年3月,南極熊獲悉,Blackstone Resources宣布,預計最早于2025年將3D打印的鈉離子電池商業化。

        Blackstone此前一直主要專注于3D打印鋰離子電池,現在他們已轉向鈉離子技術,這具有幾個優勢:

        ●原材料易獲得

        ●制造過程環保

        ●制造過程更經濟

        ●與傳統制造的電池相比,能量密度更高

        ●電池的安全性更高

        Blackstone Technology的CEO說:“鈉離子技術代表了我們已經處于下一代 3D 打印電池市場的領先地位,我們很高興再次為清潔能源和未來的碳中和交通做出創新和貢獻?!?/p>

        photocentric成立3D打印電池研究部門,為汽車定制燃料電池

        2020年9月15日, 3D打印機和材料制造商photocentric宣布成立3D打印電池研究部門,致力于開發環保的3D打印電池,并表示會持續加大投資力度,優化3D打印燃料電池在汽車中的應用。在開展3D打印汽車電池研究之前,該公司的主要產品是感光樹脂材料,并擁有專利可見光聚合(VLP)3D打印技術。據該公司研發化學主管Sarah Karmel博士介紹,通過利用其專利3D打印技術,他們可以開發出具有更強儲能能力的定制汽車電池。

        △Photocentric的目標是開發3D打印電池,用于特斯拉的Giga工廠內,圖片來自Photocentric

        Photocentric公司一直認為開發改進的儲能設備,是世界上最重要的環境問題之一。目前市面上的傳統電池單元體積大、重量重,而且沒有針對汽車用途進行優化,這意味著汽車設計往往由可用性而非適用性決定。為實現汽車電池的低成本、大規模制造,Photocentric已經制定了增材制造燃料電池的開發計劃,試圖將3D打印技術整合到電池生產過程中。

        新能源汽車電池組。照片來源Photocentric

        2021年5月18日,photocentric公司宣稱通過光聚合實現對電池電極結構的精確控制,已經為新能源汽車和更多的產品打開了新型電池幾何形狀復雜化和電池組輕量化的大門。該公司3D打印電池的過程與用光聚合工藝相似,電極是使用專有的光聚合樹脂進行3D打印的,這種樹脂可作為商業電極粉末和導電添加劑的粘合劑。然后對生坯打印部件進行清洗和固化,接著進行脫膠和燒結,以去除聚合物,只留下活性電極材料。

        Photocentric公司實際上已經開發了一個獨立的3D打印電池系統,部件從打印到清洗和后處理都是自動進行的,避免了污染或損壞脆弱電極的風險。

        △3D打印電池電極的微觀孔隙

        Photocentric公司這項可能對新能源汽車產生影響的3D打印電池項目也與它自身運營中追求可持續發展的理念相吻合。該公司的3D打印機依靠可見光而不是紫外光來固化光聚合物部件,這意味著機器的運行能耗更低。來自可再生資源的新型環保材料和回收工作也在進行中。迄今為止,這家公司所在使用的電極材料包括氧化鈷鋰(LCO)和鈦酸鋰(LTO),Karmel表示公司平臺不受限于材料,也可以支持其他既定的電池化學。

        Photocentric公司現在的目標是找到能夠提供最佳化學成分和最有用的幾何形狀的行業合作伙伴,并在汽車上展示其3D打印電池。

        中國3D打印電池技術企業交大高能獲百萬級人民幣種子輪融資

        2021年5月11日,動力電池數字化3D打印解決方案提供商長春交大高能科技有限公司(以下簡稱:交大高能科技)宣布,獲得百萬級人民幣的種子輪融資,投后估值1000萬人民幣,由交大增智投資并孵化。

        長春交大高能科技有限公司注冊在中韓國際合作示范區,擁有電極創新設計和復合材料微納打印等核心技術,專注于動力電池數字化3D打印技術的研發與產業化,面向全球電池制造企業提供數字智造整體解決方案,是全球3D打印電池技術的創導者。作為全球首批進行3D打印電池技術的產業化企業,交大高能創始團隊擁有自主研發的Top-e電極創新設計系統、3D打印電池技術和基于3D打印技術的數字智造解決方案,面向全球電池制造企業提供數字化3D打印整體解決方案,通過3D打印這一個步驟來革新現在繁長的動力電池正負極制造環節。

        交大高能的3D打印電池技術對動力電池的安全性能有顯著提高,具有將能量密度提高80%、制造成本降低50%的潛力,有非常巨大的技術優勢和商業價值。交大高能創始人王世明說:“作為全球3D打印電池技術的創導企業和動力電池制造過程的變革者,交大高能未來三年的估值有望達到100億以上。交大高能的愿景是通過數字智造賦能碳中和事業?!?/p>

        6K公司和Albemarle合作開發可持續鋰電池材料

        2022年1月14日,南極熊獲悉,專業3D打印材料開發商6K公司與全球化學品公司Albemarle Corporation簽署了一項聯合開發協議,主要用于生產新型鋰離子電池材料。這項合作將由6K的UniMelt專利技術來實現,這是一個用于生產工業級粉末的可持續材料生產平臺。

        6K公司的UniMelt系統基于專利微波等離子體工藝運行,該工藝旨在將銑削、車削和其他回收的廢料轉化為可用的3D打印材料。早在2021年4月,該公司已經將其UniMelt技術重新用于開發鋰離子電池材料,當時它為其能源部門6K Energy建立了一個新的先進中心。6K指出,如果用一個同等的UniMelt生產設施取代傳統的16GWh電池陰極生產廠,可以減少70%的二氧化碳排放。水的消耗量也可以減少90%,廢水的產生也將完全消除,同時所需的工廠空間將減少50%。

        △一家3D打印材料生產廠的UniMelt系統。照片來自6K

        △位于馬薩諸塞州北安多弗的6K先進電池中心。照片來自6K公司。

        南極熊評論

        總的來看,南極熊認為我國3D打印電池的發展仍處于相對薄弱的水平,而如歐洲黑石、美國Sakuu等3D打印電池制造企業已經走上了工業化生產的道路,并且向著更大規模發展。這給了我們國內電池制造廠商一些啟示:3D打印電池的技術攻關迫在眉睫,相關產出成果需要及時轉化,盡快步入商業化生產道路,迎接電池行業即將到來的挑戰,以確保電芯供應鏈和占領更多全球電池市場。


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