特拉维夫大学与拉斐尔先进防务系统团队首次通过喷墨 Drop-on-Demand（DoD）3D 打印技术成功制造多层锂离子电池。研究人员利用专用墨水逐层打印出正极、隔膜和负极，性能稳定且接近商用电池水平。打印出的 PVdF–Al₂O₃ 隔膜离子传输特性可比肩 Celgard 膜，石墨负极容量保持率达 93%。该方法突破了传统涂布工艺限制，具备低成本、可定制、柔性化优势，为传感器、医疗设备和柔性电子提供全新微型电池解决方案。
来自特拉维夫大学和拉斐尔先进防务系统的一个团队展示了首个完全通过喷墨按需（Drop-on-Demand, DoD）3D 打印生产的锂离子电池。该研究发表在《固态电化学杂志》（Journal of Solid State Electrochemistry），展示了这种技术如何实现精确的逐层打印，包括正极、隔膜和负极，从而制备出一个完全可运行的电池单元。
研究人员表示，他们的方法可以加速定制化、柔性化和低成本储能系统的开发，从而摆脱传统的刮刀涂布（doctor-blade fabrication）工艺。通过使用 DoD 3D 打印，他们能够沉积超薄层，并克服传统上对墨水粘度的限制，从而拓宽了可打印配方的范围。
a) 打印的 PVdF–Al₂O₃ 隔膜的 SEM 显微照片。b) 对称锂电池在使用 PVdF–Al₂O₃ 隔膜时，以 0.05 mA/cm² 的电流密度和每循环 0.1 mAh/cm² 的总容量下循环时的电压曲线（E–time）。c) 在第 50 次和第 150 次循环后获取的电化学阻抗谱（EIS）的 Nyquist 图。图片来自《固态电化学杂志》。
能源存储的喷墨 3D 打印
该团队为每个组件开发了专用墨水：磷酸铁锂（LFP）正极、多孔 PVdF–氧化铝复合隔膜，以及添加碳材料增强的石墨负极。打印过程使用 Nordson PICO Pμlse 压电阀系统进行，该系统能够将液滴直接沉积到基底上，并通过受控的逐层工艺构建电池。喷嘴尺寸有所不同，正负极墨水使用 100 微米喷嘴，而更高粘度的隔膜墨水则使用 500 微米喷嘴，从而保证形成清晰、独立的层，不会发生混合。
左图：a. DoD 打印全电池的截面 SEM 显微照片。右图：电池各层元素的 EDS 图像（P 和 Fe 表示正极，Al 表示隔膜，C 表示负极）。b. 打印过程前两个阶段的光学图像。图片来自《固态电化学杂志》。
性能可与商用电池相媲美
后处理和电化学测试表明，每个组件都保持了其功能上的体相和界面特性。3D 打印的隔膜在离子传输特性上与商用 Celgard 膜相当。石墨负极几乎实现了其理论容量的 93%，并在长时间循环过程中保持了 99.99% 的库仑效率。
当组装成完整电池时，3D 打印电池在 C/20 到 C/2 的倍率范围内表现出稳定性能，且在快速容量恢复以及电压平台方面与传统 LFP 基锂离子电池一致。
打印全电池的电化学测试。a. 在不同倍率下的比容量；b. 第 25 次循环后的 EIS；c. 在第 5 次（红色）、第 10 次（蓝色）、第 15 次（绿色实线）、第 20 次（黑色）和第 25 次（绿色虚线）循环下的充放电曲线。图片来自《固态电化学杂志》。
走向打印微型电池
作者指出，按需 3D 打印可以为传感器、医疗设备和柔性电子等应用提供新型微型电池。这一工艺还与微机电系统（MEMS）兼容，而这类系统对高精度空间分辨率有着至关重要的需求。
“增材制造允许在复杂几何结构和定制外形中设计电池，”研究人员指出。“DoD 打印提供了可靠性、速度，以及将多样化化学体系整合进单步制造过程的能力。”
面向先进电池的 3D 打印
这项研究建立在人们对利用增材制造实现下一代储能的日益浓厚的兴趣之上。今年早些时候，有研究回顾了如何通过 3D 打印生产形状贴合型电池，从而实现与紧凑设备的无缝集成。
更广泛的研究还强调了 3D 打印如何在能量器件的生产中带来变革，包括能量的生成、转换与存储。最近，另一项综述也探讨了增材制造在推进水系锌离子电池中的作用，凸显了该技术如何推动多种电化学体系的创新发展。
