編者：中噴網(wǎng) 墨宸

澳大利亞金屬 3D 打印機制造商Titomic與倫斯勒理工學院(RPI)合作，開展多階段開發(fā)，評估冷噴涂增材制造 (CSAM) 技術(shù)在鋰離子電池電極制造中的應(yīng)用。

大多數(shù)鋰離子電池電極通常采用漿料工藝生產(chǎn)，包括混合活性材料、涂覆金屬箔、干燥和壓延等步驟。這項合作項目由位于紐約州北部的美國國家科學基金會（NSF）儲能引擎計劃資助，旨在研究能否利用CSAM技術(shù)將電極粉末直接涂覆到鋁箔或銅箔上。

這種方法無需溶劑、粘合劑和干燥步驟，使該工藝與卷對卷制造環(huán)境兼容。

“通過將我們成熟的TKF冷噴涂技術(shù)應(yīng)用于電池電極制造，Titomic正在幫助克服鋰離子電池生產(chǎn)中長期存在的效率和可持續(xù)性挑戰(zhàn)。這項進展不僅使我們的客戶受益，而且還有助于全球向可再生能源和電氣化轉(zhuǎn)型，”Titomic首席執(zhí)行官兼董事總經(jīng)理Jim Simpson表示。

Titomic TKF 3D打印機。圖片來自Titomic公司。

評估CSAM在電池電極中的應(yīng)用

本項目技術(shù)工作將分四個階段進行，首先開展材料可行性研究。初期工作重點是將陽極和陰極粉末（包括硅、鈦酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰）沉積到箔狀基底上，然后利用微觀和宏觀表征方法對沉積層進行分析，以確定每種材料體系的合適噴涂參數(shù)。

除了傳統(tǒng)的電極材料外，冷噴涂方法還可以支持硅基復合陽極，旨在提供更高的理論能量容量。

隨著工作的推進，該項目將進入篩選階段和電極演示樣機的開發(fā)階段。這些演示樣機將按照行業(yè)要求進行設(shè)計，并將進行電化學測試以驗證其性能特征。

實驗室工作完成后，接下來將著手部署中試規(guī)模的冷噴涂站，并將其集成到客戶的鋰離子電池卷對卷生產(chǎn)線中，以便在工業(yè)生產(chǎn)條件下而非研究環(huán)境中評估該工藝。最后階段將基于實驗室和中試階段獲得的數(shù)據(jù)，重點分析工藝的可擴展性和生產(chǎn)成本。

“Titomic 的專用冷噴涂系統(tǒng)能夠直接、高通量地沉積鋰離子電池電極，有助于加速向可再生能源的采用和廣泛的電氣化轉(zhuǎn)型，”倫斯勒理工學院 (RPI) 的 NSF 項目負責人 Semih Akin 教授和 Nikhil Koratkar 教授表示。

3D打印電池展現(xiàn)出性能優(yōu)勢

鋰離子電池的 3D 打印技術(shù)可以制造高度定制化和結(jié)構(gòu)化的電極，從而顯著提高電池的功率性能，并實現(xiàn)新型外形，在微型電池和結(jié)構(gòu)儲能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

為此，特拉維夫大學和拉斐爾先進防御系統(tǒng)公司的研究人員展示了首個完全噴墨按需滴涂（DoD）3D打印鋰離子電池，他們逐層制造了正極、隔膜和負極。該團隊使用定制墨水，分別用于磷酸鐵鋰（LFP）正極、多孔聚偏氟乙烯（PVdF）-氧化鋁隔膜和石墨基負極，實現(xiàn)了精確控制噴嘴尺寸并進行精確沉積。

電化學測試表明，該器件性能與傳統(tǒng)電池相當，包括循環(huán)穩(wěn)定性好、庫侖效率高和離子傳輸效率高。結(jié)果表明，DoD打印是制造定制化、小型化儲能器件的可行途徑。

上個月，電池3D打印專家Sakuu公布了其Kavian制造平臺上生產(chǎn)的鋰離子電池電極的最新性能測試結(jié)果，證明采用全干式打印工藝可實現(xiàn)長循環(huán)耐久性。一款容量為1Ah的鋰離子測試電池，采用干式打印的鎳鈷錳（NCM811）正極和石墨負極，在1C倍率下循環(huán)4000次后仍能保持83%的容量，優(yōu)于典型的商用NCM電池。

3D打印電池。圖片來自Sakuu。

這一成果的取得無需使用新材料或進行額外優(yōu)化。Sakuu指出，與傳統(tǒng)的濕法制造相比，Kavian支持多種電極化學體系的干法印刷，同時還能減少溶劑用量、排放、工廠占地面積和生產(chǎn)成本。

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