Titomic与伦斯勒理工学院用3D打印合作开发于电池电极制造的冷喷涂技术

编者：中喷网 墨宸

澳大利亚金属 3D 打印机制造商Titomic与伦斯勒理工学院(RPI)合作，开展多阶段开发，评估冷喷涂增材制造 (CSAM) 技术在锂离子电池电极制造中的应用。

大多数锂离子电池电极通常采用浆料工艺生产，包括混合活性材料、涂覆金属箔、干燥和压延等步骤。这项合作项目由位于纽约州北部的美国国家科学基金会（NSF）储能引擎计划资助，旨在研究能否利用CSAM技术将电极粉末直接涂覆到铝箔或铜箔上。

这种方法无需溶剂、粘合剂和干燥步骤，使该工艺与卷对卷制造环境兼容。

“通过将我们成熟的TKF冷喷涂技术应用于电池电极制造，Titomic正在帮助克服锂离子电池生产中长期存在的效率和可持续性挑战。这项进展不仅使我们的客户受益，而且还有助于全球向可再生能源和电气化转型，”Titomic首席执行官兼董事总经理Jim Simpson表示。

Titomic TKF 3D打印机。图片来自Titomic公司。

评估CSAM在电池电极中的应用

本项目技术工作将分四个阶段进行，首先开展材料可行性研究。初期工作重点是将阳极和阴极粉末（包括硅、钛酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂）沉积到箔状基底上，然后利用微观和宏观表征方法对沉积层进行分析，以确定每种材料体系的合适喷涂参数。

除了传统的电极材料外，冷喷涂方法还可以支持硅基复合阳极，旨在提供更高的理论能量容量。

随着工作的推进，该项目将进入筛选阶段和电极演示样机的开发阶段。这些演示样机将按照行业要求进行设计，并将进行电化学测试以验证其性能特征。

实验室工作完成后，接下来将着手部署中试规模的冷喷涂站，并将其集成到客户的锂离子电池卷对卷生产线中，以便在工业生产条件下而非研究环境中评估该工艺。最后阶段将基于实验室和中试阶段获得的数据，重点分析工艺的可扩展性和生产成本。

“Titomic 的专用冷喷涂系统能够直接、高通量地沉积锂离子电池电极，有助于加速向可再生能源的采用和广泛的电气化转型，”伦斯勒理工学院 (RPI) 的 NSF 项目负责人 Semih Akin 教授和 Nikhil Koratkar 教授表示。

3D打印电池展现出性能优势

锂离子电池的 3D 打印技术可以制造高度定制化和结构化的电极，从而显著提高电池的功率性能，并实现新型外形，在微型电池和结构储能领域具有广阔的应用前景。

为此，特拉维夫大学和拉斐尔先进防御系统公司的研究人员展示了首个完全喷墨按需滴涂（DoD）3D打印锂离子电池，他们逐层制造了正极、隔膜和负极。该团队使用定制墨水，分别用于磷酸铁锂（LFP）正极、多孔聚偏氟乙烯（PVdF）-氧化铝隔膜和石墨基负极，实现了精确控制喷嘴尺寸并进行精确沉积。

电化学测试表明，该器件性能与传统电池相当，包括循环稳定性好、库仑效率高和离子传输效率高。结果表明，DoD打印是制造定制化、小型化储能器件的可行途径。

上个月，电池3D打印专家Sakuu公布了其Kavian制造平台上生产的锂离子电池电极的最新性能测试结果，证明采用全干式打印工艺可实现长循环耐久性。一款容量为1Ah的锂离子测试电池，采用干式打印的镍钴锰（NCM811）正极和石墨负极，在1C倍率下循环4000次后仍能保持83%的容量，优于典型的商用NCM电池。

3D打印电池。图片来自Sakuu。

这一成果的取得无需使用新材料或进行额外优化。Sakuu指出，与传统的湿法制造相比，Kavian支持多种电极化学体系的干法印刷，同时还能减少溶剂用量、排放、工厂占地面积和生产成本。

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