导读：就在加州理工学院的研究人员公布了锂离子电池的 3D 打印设计，几天后，另一个大学团队宣布在增材制造 (AM) 电池取得了不同方向的突破。2026年7月7日，南极熊获悉，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员开发出一种3D打印的混合锌离子电池，储能能力是同类设备的七倍以上。研究团队表示，这项技术未来有望用于存储太阳能和风能等可再生能源产生的电力。
研究结果以题为“High Mass-Loading Vanadium Oxide on3D
Printed Carbon Lattices for Zinc-Ion Supercapacitors/用于锌离子超级电容器的 3D
打印碳晶格上的高负载量氧化钒” 的论文发表在Small杂志上。
与传统的锂离子电池不同，混合型锌离子电池结合了电池和超级电容器的特性，能够储存大量能量并快速释放能量。这类电池使用锌作为主要材料，锌价格更低、更容易获取，而且通常被认为更安全。这使得它们成为可再生能源存储的理想选择，因为在可再生能源领域，成本和安全性通常比电池的小型化和轻量化更为重要。用于存储太阳能和风力发电场电力的电池也需要具备长寿命和快速充电的特性。面临的挑战是如何储存足够的能量以与其他电池技术竞争。
论文的共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系助理研究员、纳米科技能源公司联合创始人兼首席科学技术官马赫·埃尔-卡迪表示：“储能的未来不会由单一技术决定。在某个阶段，我们需要寻找能够补充现有电网级储能方案的技术。我们在这项研究中所做的，本质上是开发出一种锌离子混合器件，储能容量几乎比现有器件高出一个数量级。”
△由加州大学洛杉矶分校牵头的研究团队开发了一种具有空心结构的3D打印电极，该电极可提高混合锌离子储能器件的容量。图片由加州大学洛杉矶分校的MaherEl-Kady提供。
新设计
加州大学洛杉矶分校的研究团队并没有研发新的电池化学体系，而是决定重新设计电池的一个主要部件。研究人员首先使用Elegoo Mars 3 Pro树脂3D打印机打印了一个轻质晶格。打印完成后，晶格结构被加热至高温，直至形成导电碳框架，这个碳晶格就用作电池的电极。随后，研究团队在电极表面涂覆了一层氧化钒，这种材料能够储存和释放能量。由于该晶格包含数十亿个微孔，因此它提供了巨大的内部表面积，同时又为锌离子在电池内部的移动留出了空间。论文的共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学与生物化学以及材料科学与工程杰出教授、材料创新领域洪明基博士捐赠讲席教授、加州纳米系统研究所成员里克·卡纳（Ric
Kaner）说道：“我们使用的方法可以让我们逐层构建任何三维支架，并控制其微观结构。我们实际上可以拥有数十亿个这样的微孔，从而产生巨大的内部表面积。这意味着我们可以存储大量的电荷。”
研究人员表示，这种组合使电池储存的能量是同类设备的七倍以上，并且在经过1500 次充放电循环后仍能保持82% 的容量。
不仅仅是更好的电池
本研究还介绍了3D打印带来的第二项创新。研究团队设计了一种密封的电化学测试单元，可以简化电池研究。测试单元使用Onshape软件设计，并采用透明耗材在Bambu Lab X1 Carbon 3D打印机上打印而成。装置用于测量实验电池的性能，研究团队表示，它改进了目前实验室中最常用的测试方法之一。研究人员无需为每个实验定制测试设备，即可使用这种标准化设计，更一致地评估和比较新型电池技术。
△用于水系锌离子储能的3D打印碳晶格上负载高质量氧化钒。图片由Maher El-Kady/加州大学洛杉矶分校提供。
锂电池备受关注，但并非唯一选择。锌电池价格更低、更容易获取，而且通常被认为更安全，因为锌电池过热的可能性更小。正因如此，研究人员长期以来一直认为锌电池非常适合用于存储太阳能和风力发电场的电力，因为在这些应用中，低成本和长寿命比电池的小型化和轻量化更为重要。
最大的挑战在于如何储存足够的能量来与当今的锂离子电池竞争。锌离子电池的能量储存能力一直不足以与目前领先的电池技术相媲美。加州大学洛杉矶分校的研究团队认为，他们新研发的3D打印设计有望改变这一现状。论文第一作者索菲娅·上村（Sophia
Uemura，最近刚从加州大学洛杉矶分校获得博士学位）说道：“我们希望这个概念能够帮助该领域的其他研究人员，使他们能够获得更一致的测量结果和更可靠的设备数据。3D打印最令人兴奋的地方之一就是它的普及程度。在这种情况下，任何拥有3D打印机的人都可以制作像我们这样的测试单元，并将其应用于他们自己的研究中。”
加州大学洛杉矶分校和加州理工学院的项目采用了不同的方法。一个项目专注于锂离子电池，另一个项目则致力于改进锌离子电池技术。然而，这两个项目都依赖3D打印技术来制造其他方式难以实现的电池结构。这些研究共同表明，研究人员正开始利用增材制造技术，不仅用于制造电池部件，更着眼于重新思考电池的制造方式。
来源：南极熊
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