二十多年来，锂离子电池几乎为我们身边的一切设备提供动力。它们存在于智能手机、笔记本电脑、电动汽车、无人机，甚至许多医疗设备中。多年来，电池技术已经取得了长足的进步，但它们仍然可能过热，需要使用钴等昂贵材料，并且越来越难以改进。加州理工学院的研究人员没有开发全新的电池，而是专注于我们已经在使用的电池。他们的想法是利用3D打印技术重新设计其内部结构。该团队的工作聚焦于电池最重要的组件之一：正极。
建造电池的不同方式
目前大多数锂离子电池都采用扁平的层状电极。这种设计多年来一直运行良好，因为它制造起来相对容易。但加州理工学院团队的做法有所不同。他们没有制造扁平的正极，而是设计并3D打印了一个具有微小、精心设计结构的电极。这样一来，锂离子不再局限于扁平层，而是可以在更复杂的三维网络中移动。研究人员表示，这有助于电池更高效地存储和释放能量。这一点很重要，因为每次电池充电或放电时，锂离子都必须在电极之间移动。如果这个过程更短、更顺畅，电池就能更好地工作。
LFP/C复合电极的水凝胶注入增材制造工艺示意图及所得网格的代表性图像。图像由ACS Energy Lett提供。 2026, 11, 6, 4392-4400
"如果你制造的是三维结构电池而非平面电池，那么每个锂离子在通过电解质传输时都将拥有一个可利用的活性表面，"加州理工学院材料科学、力学与医学工程教授朱莉娅·格里尔表示，她的实验室一直在致力于改进锂离子电池。根据研究人员的说法，这些额外的表面为离子提供了更多的移动空间，有助于电池比传统扁平设计更高效地传输能量。这项研究成果发表在《ACS Energy Letters》期刊上，论文题为《微结构磷酸铁锂-碳锂离子电池电极的结构-传输关系》。该研究得到了美国国防高级研究计划局、NASA喷气推进实验室以及加州理工学院的支持。
告别钴
最大的变化之一是材料。这种新型电池组件不使用钴，而钴是目前许多锂离子电池中使用的金属。钴价格昂贵、供应有限，而且其开采引发了环境和人权方面的担忧。电池公司多年来一直致力于减少或替代钴的使用，而这项研究有望使之成为可能。该团队还改变了电池组件的制造方式。他们没有采用传统制造方法，而是使用了一种名为水凝胶灌注增材制造（HIAM）的3D打印技术，该技术由加州理工学院格里尔实验室开发。在这里，HIAM被用于构建一个微小、高精度的结构。采用传统制造方法制造出同样的设计将极其困难。
显微镜图像（上）和示意图（下）展示了加州理工学院研究人员开发的3D打印电池电极。图片来源：Sun等人，ACS Energy Letters（2026）。图片由ACS Energy Lett提供。 2026, 11, 6, 4392-4400.
因此，研究人员并没有发明新的电池材料，而是找到了一种利用3D打印塑造现有材料的新方法。改变组件的形状会改变电池的工作方式。这种新的3D设计为锂离子提供了更多在电池内部移动的空间，在保持相同基本锂离子化学特性的同时，有助于电池更高效地充放电。这项工作仍处于研究阶段。目前没有迹象表明这些电池已准备好大规模生产，在制造商采用全新的电极架构之前，仍面临诸多挑战。
将任何新的电池技术从实验室扩展到数百万件产品是一个漫长的过程，通常需要数年时间。然而，这项研究指出了先进制造业的一个日益增长的趋势。研究人员越来越多地使用3D打印来重新设计电池本身，而不仅仅是将其用于制造电池外壳、工装或生产设备。随着电动汽车、人工智能数据中心、可再生能源系统和日常电子产品都需要更强大的电力和更长的电池寿命，对更好电池的需求持续增长。大部分注意力集中在新的电池化学体系上，但加州理工学院团队的工作指出了另一种可能性——通过改变设计方式来改进当今的锂离子电池。如果这一概念能够走出实验室实现规模化，3D打印将为研究人员提供一种在无需替换已为数百万设备提供动力的现有技术的情况下，重新思考电池设计的新途径。
来源：中国3D打印网编译文章！
0 留言