編者：中噴網(wǎng) 墨宸

澳大利亞金屬 3D 打印機(jī)制造商Titomic與倫斯勒理工學(xué)院(RPI)合作，開展多階段開發(fā)，評(píng)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(xiàng)合作項(xiàng)目由位于紐約州北部的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）儲(chǔ)能引擎計(jì)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(wú)需溶劑、粘合劑和干燥步驟，使該工藝與卷對(duì)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(zhǎng)期存在的效率和可持續(xù)性挑戰(zhàn)。這項(xiàng)進(jìn)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(jī)。圖片來(lái)自Titomic公司。

評(píng)估CSAM在電池電極中的應(yīng)用

本項(xiàng)目技術(shù)工作將分四個(gè)階段進(jìn)行，首先開展材料可行性研究。初期工作重點(diǎn)是將陽(yáng)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(duì)沉積層進(jìn)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(fù)合陽(yáng)極，旨在提供更高的理論能量容量。

隨著工作的推進(jìn)，該項(xiàng)目將進(jìn)入篩選階段和電極演示樣機(jī)的開發(fā)階段。這些演示樣機(jī)將按照行業(yè)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試以驗(yàn)證其性能特征。

實(shí)驗(yàn)室工作完成后，接下來(lái)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(duì)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(píng)估該工藝。最后階段將基于實(shí)驗(yàn)室和中試階段獲得的數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析工藝的可擴(kuò)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(xué)院 (RPI) 的 NSF 項(xiàng)目負(fù)責(zé)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(shì)

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(shí)現(xiàn)新型外形，在微型電池和結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

為此，特拉維夫大學(xué)和拉斐爾先進(jìn)防御系統(tǒng)公司的研究人員展示了首個(gè)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(fù)極。該團(tuán)隊(duì)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(fù)極，實(shí)現(xiàn)了精確控制噴嘴尺寸并進(jìn)行精確沉積。

電化學(xué)測(cè)試表明，該器件性能與傳統(tǒng)電池相當(dāng)，包括循環(huán)穩(wěn)定性好、庫(kù)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(chǔ)能器件的可行途徑。

上個(gè)月，電池3D打印專家Sakuu公布了其Kavian制造平臺(tái)上生產(chǎn)的鋰離子電池電極的最新性能測(cè)試結(jié)果，證明采用全干式打印工藝可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)耐久性。一款容量為1Ah的鋰離子測(cè)試電池，采用干式打印的鎳鈷錳（NCM811）正極和石墨負(fù)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(lái)自Sakuu。

這一成果的取得無(wú)需使用新材料或進(jìn)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(xué)體系的干法印刷，同時(shí)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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