鋰離子電池無處不在：在智能手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車中，甚至在您的手表中。然而，隨著電子技術(shù)變得越來越復(fù)雜，以及越來越多的汽車、公共汽車和卡車使用電池供電，科學(xué)家們正在努力開發(fā)比當(dāng)今領(lǐng)先技術(shù)更輕、能量密度更高且理想情況下更安全的新化學(xué)物質(zhì)。他們說，下一個(gè)前沿是固態(tài)電池，也許是3D打印電池。

最近，3D打印初創(chuàng)公司Sakuu（前身為KeraCel）開發(fā)了一種固態(tài)電池，聲稱其性能“等于或優(yōu)于”當(dāng)前鋰離子電池的性能。小型3安培小時(shí)(Ah)電池——大約相當(dāng)于三個(gè)AAA堿性電池的容量，是與Sakuu的增材制造平臺(tái)一起生產(chǎn)的。該技術(shù)允許該公司將多種材料沉積在一個(gè)薄的單層上。

Sakku的首席技術(shù)官KarlLittau告訴IEEESpectrum，為了獲得最高能量密度的電池，我們希望盡量減少所有對電池性能沒有任何影響的元素的體積。這就是印刷真正能夠?qū)崿F(xiàn)的那種事情。

與許多固態(tài)設(shè)計(jì)一樣，Sakuu的電池包含鋰金屬陽極，以及分隔陽極和陰極的陶瓷電解質(zhì)。相比之下，鋰離子電池使用有機(jī)液體作為電解質(zhì)，這增加了電池著火的風(fēng)險(xiǎn)。該公司的3D打印平臺(tái)基于麻省理工學(xué)院開發(fā)的粘合劑噴射打印工藝。在粘合劑噴射中，液體試劑沉積在粉末顆粒的薄床上；目前，Sakuu表示它可以將金屬噴射和陶瓷粘合劑噴射結(jié)合在一個(gè)構(gòu)建中。

該公司表示，其固態(tài)電池的能量容量比去年提高了100倍，體積能效提高了12倍以上。

這家位于加利福尼亞州圣何塞的初創(chuàng)公司預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候從原型打印機(jī)系統(tǒng)發(fā)展為第一臺(tái)自動(dòng)打印機(jī)。Littau說，這應(yīng)該可以將公司打印電池的能力提高一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。

隨著Sakuu的規(guī)模擴(kuò)大，另一家3D打印公司表示，它通過自己的固態(tài)電池設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了重要的里程碑。瑞士公司BlackstoneResources的德國子公司BlackstoneTechnology于4月宣布，它成功打印并測試了其首個(gè)工作固態(tài)電池。（微型電池袋的照片顯示它為LED燈帶供電。）該公司也在為液體電解質(zhì)電池開發(fā)自動(dòng)化3D打印技術(shù)。

與此同時(shí)，電池科學(xué)家正在努力改進(jìn)固態(tài)化學(xué)本身。

李欣表示，雖然固態(tài)鋰金屬設(shè)計(jì)長期以來一直被認(rèn)為是電池的大獎(jiǎng)，但由于其高容量和能量密度，該技術(shù)也存在穩(wěn)定性差的問題。這個(gè)問題幾十年來一直困擾著電池的商業(yè)化之路。

問題是鋰金屬絲，稱為“枝晶”。隨著每個(gè)電池循環(huán)在陽極上生長。最終，針狀枝晶可以穿透電解質(zhì)到達(dá)陰極。如果發(fā)生這種情況，電池更有可能短路并可能著火。安全問題是電動(dòng)汽車電池的一個(gè)大問題。

最近，李和他的哈佛同事開發(fā)了一種獨(dú)特的方法來抑制枝晶生長。這個(gè)想法是在陽極和陰極之間分層不同穩(wěn)定性的不同材料，來控制討厭的細(xì)絲。研究人員表示，他們的實(shí)驗(yàn)室原型可以在高電流密度下充電和放電至少10,000次，而性能不會(huì)下降太多。

李說，如果穩(wěn)定性問題得到解決，那么固態(tài)電池在電動(dòng)汽車電池市場有巨大的擴(kuò)張機(jī)會(huì)。然而，特別是當(dāng)談到3D打印電池時(shí)，他說他不太確定它們的潛力。總的來說，3D打印太慢了，他說，并補(bǔ)充說這個(gè)過程可能更適合制造微型電池，比如電腦主板和手表中的電池。

就Sakku而言，Sakku表示其3D打印過程是為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的。這家初創(chuàng)公司得到了日本汽車零部件制造商MusashiSeimitsu的支持。不過，Littau表示，電動(dòng)汽車遠(yuǎn)不是唯一的潛在市場。它的打印平臺(tái)可以制造從兩輪滑板車電池到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備傳感器的所有產(chǎn)品。印刷實(shí)際上開啟了一些有趣的可能性，他說。