告别“宁德时代”,3D打印下一代电池上场,改变游戏规则 

3D打印新闻 /[市场]
发布时间: 2022-10-10 22:54
十年后,电池格局将发生变化,而现在正处于这场革命的风口浪尖,3D打印固态电池或许将是下一个风口。

7月21日,中国科学院院士欧阳明高在世界动力电池大会上表示,从技术角度来看,固态电池将是最值得重视的技术,2035年前一定会规模生产能量密度为500Wh/kg的下一代电池。

可见,未来的电池将以固态电池为主,但由于各种原因,通常是制造困难,固态电池从未真正投入生产;而3D打印的出现将改变游戏规则,生产出下一代电池并将其推向市场。
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3D打印电池常见工艺及电极、电解质材料,图片来自:Advanced Functional Materials

3D打印固态电池的优势体现在原材料易获得、更安全、更有效、成本更低,适用于任何形状。目前,用于制造电池的主要3D打印技术包括立体光刻成型(SLA)、模板辅助电化学沉积(TAE) 、喷墨打印 (IJP)、直接墨水书写 (DIW)、熔融沉积成型 (FDM) 和气溶胶喷射打印(AJP)。打印的电极材料主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和LTO/LFP,以及电解质材料。

经过多年的发展,无论是设备还是材料,已有多家公司从实验室走到生产车间,将3D打印电池推向市场。今天,资源库将通过对这一细分领域的5家代表公司的观察,分析3D打印电池的发展现状及未来方向。

美国Sakuu Corporation
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总部位于硅谷的创业公司Sakuu成立于2016年,其前身为KeraCel,同时也是世界首个3D打印固态电池的开发商,以下是Sakuu的发展轨迹。

  • 2019年5月,Keracel宣称在生产陶瓷固态锂电池方面取得了新的进展。
  • 2019年8月,日本汽车零部件制造商Musashi Seimitsu对Keracel进行投资,加速3D打印固态电池的发展。
  • 2021年1月,Keracel完成1400万美元的A轮融资,进一步推进固态电池的开发。
  • 2021年4月,KeraCel将公司名称更改为Sakuu Corporation。
  • 2021年6月,Sakuu宣布获得三项新专利:具有密封阳极结构的新型混合固态电池设计、能够创建有源设备(如微反应器或固态电池)的增材制造系统,以及电子照相3D打印机。
  • 2021年7月,Sakuu宣布已开发出一种3Ah锂固态电池 (SSB),性能等同于或优于当前的锂电池。
  • 2021年8月,Sakuu开始建设一个新的试验设施,用于生产3D打印固态电池,预计将于2022年年初完工,每年可生产高达2.5MWh的固态电池。
  • 2022年3月,Sakuu推出第一代非打印锂金属电池达到了800Wh/L的能量密度,重量仅为传统同类产品三分之一、尺寸为一半。
  • 2022年6月,Sakuu宣布其第一代非印刷锂金属电池 - Swift Print 固态电池在广泛测试下已实现连续3C倍率放电。
  • 2022年8月,Sakuu在硅谷开设占地7.9万平方英尺的新工程中心,这也是Sakuu的第一家3D打印电池工厂,被称为3D打印平台超级工厂(Sakuu G-One计划)。
  • 2022年9月,Sakuu宣布与日本NGK合作,NGK将协助开发固态电池,并为当前和未来的电池制造提供陶瓷材料。
  • 2023年,Sakuu将向电动汽车和储能领域的一系列客户交付第一代超安全固态电池 (SSB),同时开发第二代全打印SSB的能量密度超过1200 Wh/L。

与许多固态电池设计一样,Sakuu的电池单元包括锂金属阳极,以及将阳极和阴极分开的陶瓷电解质。Sakuu的多材料多工艺Kavian 3D打印平台,可以在同一层打印玻璃、金属、聚合物和陶瓷,完成电池的全打印。
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Sakuu的3D打印电池生产线,图片来自:Sakuu

该平台基于麻省理工学院开发的粘合剂喷射打印工艺,在粘合剂喷射中,液体试剂沉积在粉末颗粒的薄床上。更精细的细节使用不同的材料喷射,包括专有的陶瓷粉末和粘合剂,以及称为PoraLyte的支撑材料。这是一种类似聚合物的支撑材料,在烧结过程中会燃烧掉,形成通道、空隙和孔隙。

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Sakuu2023年即将交付给用户的固态电池,图片来自:Sakuu

Sakuu的目标是到2028年达到60GWh的电池产能,因此它还在进行AI控制的开发,打造一个“黑灯”工厂。同时,为了适用于更广的市场需求,该平台还采用了模块化设计,每个3D打印过程都有模块,以及材料处理、质量控制、干燥和除粉等辅助过程,用户可以根据其制造的产品定制机器。

德国,Blackstone Technology
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专注于电池技术的瑞士投资公司Blackstone Resources于2019年成立了自己的德国研发子公司黑石科技(Blackstone Technology)。该公司在过去两年中一直在开发和完善其锂离子电池3D打印技术,以下是黑石公司的发展轨迹。

  • 2021年4月,黑石公司对外宣称已成功打印首款可工作的锂离子固态电池。
  • 2021年11月,黑石公司在萨克森州Dobeln的工厂开始批量生产3D打印锂基液体电解质电池。同时,还将使用3D打印生产下一代电池:固态钠电池。
  • 2022年3月,该公司宣布,预计最早于2025年将3D打印的钠离子电池商业化。除了软包电池外,还将生产棱柱形电池。

黑石公司将其3D打印电池技术称为“厚层技术”(Thick Layer Technology),用于生产电池电极和锂离子电池的隔膜,但是并没有过多的介绍其工作流程。

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黑石科技在德国Dobeln的新工厂,图片来自:黑石公司

据黑石公司称,其3D打印电池能量密度提高了约20%,高达220Wh/kg,电池空间节省15%,材料节省20欧元/千瓦时,能源消耗降低23%。此外该流程基于环保的纯水工艺,可减少50%的生产废料。同时,3D打印可将固态电池的能量密度再增加70%,同时显著提高充电循环次数。
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黑石科技3D打印的锂离子固态电池,图片来自:黑石公司

黑石科技已将其初始目标年产能设定为500兆瓦时,预计将在明年年底前达到。尽管尚未确定时间表,但第二阶段目标是每年5GWh,第三阶段最终目标是超过10GWh,未来生产设备的产能目标是每秒生产一个电池。

美国,6K
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与前面2家专注于3D打印电池设备不同,美国初创公司6K专注于3D打印金属粉末和锂电材料生产,并开发了“UniMelt系统”的微波等离子生产工艺,能够以快速、环保的形式生产电池材料。以下是6K公司的发展轨迹。

  • 2021年4月,6K宣布为其能源部门6K Energy建立卓越中心,占地3.3万平方英尺,投资将达2500万美元,主要用于开发用于储能设备的新型可持续电池材料。
  • 2021年9月,6K获得5100万美元C轮融资,以支持其电池开发中心建设。
  • 2021年10月,6K 增材制造部门Additive通过收购特种冶金产品(SMP) 增强其金属合金产品组合。
  • 2022年5月,6K获得超过1.02亿美元D轮融资,加速6K能源部门的阴极电极生产工厂的部署。
  • 2022年8月,6K将耗资3000万美金建立新的电池卓越中心,推进第一个产能规划为10至20千兆瓦时的电池阴极工厂,并于2024年8月投产。
  • 2022年10月,6K Energy与ONE签署联合开发协议,为后者开发和生产其Gemini 和 Aries电池平台中使用的关键电池材料。

UniMelt系统是基于6K的微波等离子工艺,可将铣削、车削和其他回收原料转化为3D打印金属粉末。

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6K的UniMelt微波等离子生产设备,图片来自:6K

据6K表示,如果用UniMelt工艺取代传统的电池阴极制造设施,用水量将减少90%,并且将完全消除100%的废水;该设施还将使能源使用量和温室气体排放量减少多达70%。

英国,photocentric

3D打印机和材料制造商photocentric成立于2002年,2020年9月,该公司宣布成立3D打印电池研究部门,致力于开发环保的3D打印电池,并表示会持续加大投资力度,优化3D打印燃料电池在汽车中的应用。
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photocentric生产的3D打印燃料电池概念图,图片来自:photocentric

同时,photocentric还开发了一个独立的3D打印电池系统,打印过程类似于使用光聚合工艺。电极使用专有的光聚合物树脂进行3D打印,这种树脂可用作商业电极粉末和导电添加剂的粘合剂;然后清洁和固化生胚打印部件,接着进行脱脂和烧结以去除聚合物并仅留下活性电极材料。
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用于3D打印电池的photocentric光固化设备,图片来自:photocentric

据资源库了解,该公司正在使用的电极材料包括钴酸锂(LCO)和钛酸锂(LTO),Photocentric的目标是开发3D打印电池,用于特斯拉的Giga工厂内。现在,这家英国公司正在加紧制定增材制造燃料电池的开发计划,寻求利用VLP技术来实现汽车电池的低成本大规模制造。

中国,高能数造

高能数造(西安)技术有限公司是国内首家聚焦并推出3D打印电池设备的产业化公司,成立于2021年。由西安交大长春3D打印中心孵化,刚成立不久就获得数百万人民币的种子轮投资。
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高能数造的2款电池专用型3D打印机,图片来自:高能数造

浆料挤出层叠技术(SEL-Slurryextrusionlamination)SEL技术是高能数造针对电池研制用户的专业需求而自主开发的3D打印电池技术,该技术通过从打印喷嘴中挤出具有剪切变稀性质的电池浆料并将浆料层层堆叠后构筑出预先数字化设计的三维电极。

基于该工艺,2022年6月,高能数造发布了两款S系列电池专用型3D打印机:S180BM和S200BH设备,同时还推出了一款可根据用户需求定制的电池专用型3D打印机。
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高能数造3D打印的全极耳圆盘电池,图片来自:高能数造

2022年9月,高能数造3D打印的全极耳圆盘电池首次公开亮相,该电池的圆形正极片、圆形负极片、圆形电池壳均为3D打印技术制造而成,这也是高能数造产品化落地的首次尝试。据高能数造表示,接下来的10月即将推出第二代3D打印电池设备。

据研究机构Strategic Market Research的最新报告显示,从2020到2030年,全球3D打印电池市场预计将以19.53%的复合年增长率增长,这得益于能源存储需求的持续增长、可穿戴设备和物联网(IoT)传感器等发展。

市场前景是广阔的,3D打印电池的用途不局限于电动汽车,还包括手机、可穿戴设备等许多领域。但在实现真正的规模生产和具备商业竞争力之前 ,还有一段路要走,更多可选的材料和更稳定的打印,将是3D打印电池走向批量制造需要解决的问题。

另外,国内基于3D打印的电池技术还需要进一步的提升,也期待有更多的3D打印企业参与其中。无论是设备厂商,还是材料厂商,都不要错过这个大的风口,起步不至于太慢,我们就还有后来居上的机会。
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