北方民族大學的研究人員在《ACS Omega》期刊上發表了一篇全面的綜述，詳細介紹了3D打印如何改變鋰離子電池（LIB）的設計。此外，論文還討論了3D打印方法在鋰離子電池制造中面臨的挑戰。
論文題為“3D-Printed Electrode/Electrolyte Architectures for High-Performance Lithium-Ion Batteries: Mechanisms, Materials, and Challenges/高性能鋰離子電池的3D打印電極/電解質結構：機理、材料和挑戰”，由樓曉飛、趙莉、高陽和南曉暉領導，探討了增材制造技術在高性能電極和電解質方面的應用，并突破了傳統漿料涂覆方法的局限性。
作者闡述了增材制造如何實現精密設計的微結構，使其性能優于傳統的涂層技術。綜述重點介紹了四種主要的3D打印方法：熔融沉積成型 (FDM)、直接墨水寫入 (DIW)、立體光刻 (SLA) 和粘合劑噴射 (BJ)。每種方法都為制造鋰離子電池組件提供了獨特的優勢，能夠精確控制孔隙率和幾何形狀，從而實現更高的能量密度和更長的循環壽命。
3DP-NC制備工藝示意圖。圖片來自ACS Omega
電池組件的精密工程
傳統的鋰離子電池電極依賴于漿料涂覆方法，這種方法限制了對幾何形狀和孔隙率的控制。相比之下，3D打印技術可以定制陽極和陰極，優化鋰離子路徑，減少非活性材料的使用，并實現定制的結構設計。
△3D打印NG電極示意圖。圖片來自ACS Omega。
在負極方面，創新包括多孔碳支架、硅-石墨烯復合材料以及抑制枝晶生長的鋰金屬主體。例如，源自鋅MOF的氮摻雜碳骨架實現了均勻的鋰沉積，并實現了30 mAh·cm?2的面積比容量。
△3D-Si/G電極制備過程示意圖。圖片來自ACS Omega。
在陰極側，高壓 LiCoO? (LCO) 和 LiFePO? (LFP) 電極采用工程離子通道印刷，在超厚配置中實現 5.16 mAh·cm?2 (LCO) 和 350 Wh·kg?1 (LFP)。
研究團隊還詳細介紹了3D打印的固體和準固體電解質。結合了紫外光固化凝膠和離子液體的可打印油墨已展現出良好的離子電導率和界面穩定性，這使得3D打印成為未來固態電池系統的可行平臺。
△3D打印LCO電極制造及LCO墨水成分示意圖。圖片來自ACS Omega
增材制造與電化學的結合
隨著電動汽車和消費電子產品對先進鋰離子電池的需求不斷增長，3D打印正逐漸成為原型設計和能源設備生產的多功能工具。近期關于3D打印鈉離子電池、柔性電子產品和形狀保形電池的報告反映了數字化制造儲能系統日益增長的趨勢。
此外，研究團隊越來越多地將 3D 打印與機器學習和新型油墨化學相結合，以實現配方和性能優化的自動化，正如圣母大學團隊最近的研究成果所示。
展望與局限性
雖然作者強調了3D打印對電池架構前所未有的控制力，但仍面臨材料限制，尤其是需要導電、可打印的油墨，以避免傳統熱塑性塑料的性能損失。熱退火等后處理步驟進一步增加了制造流程的復雜性。
可擴展性也是一個挑戰，大多數方法都難以在分辨率和打印速度之間取得平衡。然而，多材料打印和機器學習輔助墨水配方等新興策略提供了頗具前景的解決方案。固態電解質既體現了=潛力，也存在一些缺陷；雖然3D打印版本可以實現具有競爭力的離子電導率，但界面電阻等問題仍未得到解決。
作者認為，短期內，增材制造技術可能在柔性電子和超厚電極等特殊應用領域找到最強勁的市場。隨著油墨化學和工藝集成的進步，3D打印技術或將從根本上重塑下一代電池的設計和制造方式。
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高經理
