智能制造数车技术(高能数造杨康 ：3D 打印技术用于电池智能制造)
2023年11月13日，起点锂电&起点钠电&光储充行业年会盛大开启，本次大会现场，高能数造研发副总监杨康为大家带来演讲《3D打印技术用于电池智能制造》
各位专家，各位老师，大家下午好！
非常感谢起电平台的邀请，能够在这里汇报我们公司将3D打印技术用于智能制造的探索和成果。
首先是关于3D打印工艺的介绍。
第一个想给大家介绍的是3D打印技术，粘结剂（或浆料）喷射成型，3D打印是一种具有代表性的粘结剂喷射技术，可以直接将粘结剂通过喷嘴选择性喷射到集流体上的电极粉末表面，然后将粉末材料粘结在一起形成实体层，逐层粘结，最终形成3D电极。
通过来回两三次就可以粘结一个薄层的极片，下一层粉末可以是同样的材料也可以是电解质的材料。从而实现干法电极的制造或者是全固态电池的制造，通过层层叠加不断的粘结每一个平面，可以制造出任意形状的电极或者电池。此外，这个视频中没有展示出来，但在实际生产过程中，每一层刮刀刮平之后会有一次辊压的过程，提升电极的致密性。3DP打印技术通过多喷头大面积的喷射粘结可以一次性成型多个极片，提升了量产的效率。
第二种技术是粉末激光烧结技术SLS，激光直接烧结电极粉末与粘结剂混合的材料，省去了烘干流程，减少烘烤能耗，提高制造效率、减少场地设施投入。制造效率高，材料适配广。
SLS的打印过程就是通过高功率的激光束照射烧结粉末材料，激光照射到的地方就会迅速融化粘结成型，没有照射到的还是粉末可以回收利用。在这样一个打印平台上可以实现多个电极片的制造。这两种方法都有望实现干法电极的制造。
另外一种技术是光固化成型SLA\DLP，这个技术日常生活用得比较多，原理是通过紫外光或是光面照射固态电池的聚合物电解质或是有机无机混合电解质，使其逐层固化，叠加成型。但因为目前材料开发未完成，需要添加一些不具功能性的光聚合材料，会降低电池性能，所以应用范围有限。
接下来给大家介绍几个公司。
一家是Sakuu。他们目前能打印一些标准尺寸的电池，但复杂形状或者兼具结构件功能的电池是传统工艺实现不了的。Sakuu的工艺路线选择的是我们上面提到的粘结剂喷射工艺。
第二家公司是Blackstone，他们打印的极片已经组装成了固态电池。他们推崇3D打印电池的主要原因也是3D打印可以使电池的形状更加自由，更能发挥电器内部的空间，从而提高电器的使用续航。Blackstone的电池生产车间使用的工艺是3D丝网打印。这个工艺它和我们传统的印刷比较像，但多了一个垂直方向的维度。Blackstone和Sakuu都认为使用3D打印生产电池可以节省电池原材料，减少或者消除溶剂的使用，减少能源消耗25%以上，并将电池的能量密度提高20%，如果使用固态技术时，可提高100%。
另外还有一家叫Photocentric的公司，他们是做3D打印原材料供应的，他们目前正在开发可光聚合的聚合物电解质以及正负极的粘合剂，如果在这方面有了突破，那么光聚合工艺也将能应用于3D打印电池的规模化生产中。
我们公司是新能源电池3D打印技术的先行者和创导者，也是国内首家聚焦并推出3D打印电池设备的产业化公司。
我们公司针对目前电池研发和制造过程中遇到的一些痛点问题，自主研发了浆料挤出层叠技术，即SEL工艺。我们之所以选择这个工艺，是因为它对材料的适配性非常好，目前市场上几乎所有的电池材料，只需要配置成浆料，就可以实现3D打印。
我们再回到SEL工艺上，通过SEL技术，我们可以在电极和电解质中设计多种多样具有三维多孔的结构，打印出厚极片和高功率密度电池。此外，根据电池在形状方面的需求，我们可以定制化生产不同形状的电池产品。在固态电池制造工艺上，SEL3D打印技术也具有独特的优势。
在液态电池方面，我们可以制备各种形态极片，这是基于SEL工艺开发的一代设备打印的普通电极极片，辊压前厚度最小可以做到60微米，面密度9mg/cm2，组装得到的电池容量数据表明材料的容量可以完全得到发挥。液态锂离子电池除了极片生产以外的工序，例如前段的匀浆，后段的注液、封装和化成还是和传统工艺流程相同的。
这是使用SEL工艺打印的正负极厚极片，厚度超过600微米，面密度大于400g平方米。在固态电池方面，我们能做的就要多一些。首先，利用SEL工艺可以精确设计电解质与电极的界面结构，通过将电极表面三维化，设计表面积更大的电极结构，使得电解质原位固化后两者的接触面积更大，接触更稳定。在物理层面上增强两者的相互作用力，在电池长循环过程中保证两者紧密接触，降低界面阻抗。其次，可以构筑多样化多层次的固态电解质，SEL工艺适用于多种固态电解质材料，可针对正负极设计不同的电解质层，通过叠层打印的方式制备多层复合电解质。另外，这种原位打印固化的方式将初始的固固接触转变为固液接触，使电解质完全浸润电极表面，电解质固化后，电极和电解质能充分接触。
这是不同的固态电解质制备的复合膜，针对不同材料对正负极的兼容性，我们可以在正负极侧设计不同的电解质层，提高电极与固态电解质间的电化学稳定性。（例如在正极侧打印耐高压电解质材料，在中间层打印离子电导率高的电解质材料，在负极侧打印对锂金属兼容性好的电解质材料）。从材料的选择和兼容性出发，解决固态电池制造中界面阻抗大的问题。
这是用我们2代设备打印出来复合电解质20%LLTO复合80%的PVDF-HFP，铝箔的厚度是20μm，我们可以打印10μm以下尺寸的电解质薄膜，即时构筑了三层不同的电解质，电解质的总厚度也不会超过30μm。当然，我们也可以打印的更厚，比如单层19μm。
这是我们在正极片表面原位打印的两种电解质薄膜，可以观察到电解质和电极层接触紧密，PEO为主的固态电解质厚度为20微米左右，PVDF-HFP为主的固态电解质厚度可以做到超薄的3微米，两种电解质复合打印界面接触也非常良好。
这是不同含量的氧化物固态电解质制备的复合电解质膜，氧化物含量从20%-90%，之所以做这个工作，是因为在传统的3D打印工艺里有一个脱脂的工艺，可以高温加热把复合膜里的聚合物除去，形成纯氧化物的连续相。在这个工艺基础上制备较薄的氧化物固态电解质片。目前市面上出售的固态电解质片厚度绝大部分在400μm以上，我们利用3D打印在氧化物含量80%的情况下，可以制备厚度120μm的薄膜，经过烧结后，这个厚度还能进一步降低。但这个工作目前有个问题就是氧化物固态电解质在聚合物溶液中的分散性随着氧化物含量提高而下降，容易团聚。这个需要和材料方面的老师多请教，看能不能合作改善这个问题。
我们针对不同氧化物含量的电解质膜做了一些测试，不同厚度下的容量表达，循环表现等等。这些工作都是为了帮助客户做出性能更好的固态电解质膜。
最后是一体化打印。我们可以实现包括集流体、正负极和电解质材料的一体化叠层打印，革新固态电池的制造工艺。
接下来介绍下我们目前在售的几款设备，S200BH与M15适合科研原型的制造，S280BH采用阵列式喷头，能实现小规模、批量化生产。前几款非常适合锂电、钠电、等储能器件的科研原型验证及制造，在材料及结构验证阶段具有极大的应用潜力。最新推出的是一体化固态电池3D打印系统。
这是利用SEL技术打印的叉指结构微型固态电池，从集流体，到正极、负极以及固态电解质，通过原位的叠层打印制备叉指结构。右边的视频展示了它的一部分打印过程。这是利用SEL技术打印的软包全固态电池。打印完电池正极后在其表面打印复合电解质，组装锂铟合金负极以后得到的软包全固态电池。额定电压3.2V，常温常压下可以带动多个二极管工作。这是打印得到全固态电池的安全性演示，可以看到在空气中电池的一部分结构被破坏以后，它也能正常工作，不会像液态电池一样发生漏液，爆燃等安全事故。
我们在锂离子电池做了布局以后，在钠离子电池也做了尝试，目前来看结果都还是不错的。
最后，对于我们的设备工艺感兴趣的，或者是想合作的专家老师都可以联系我们负责商务的汪先生，谢谢大家！
以上对话为起点锂电根据速记整理，未经演讲者审核。