3D打印正在革新锂离子电池（LIB）设计与制造，取代传统浆料涂覆工艺，实现高精度电极与电解质的结构优化。北方民族大学团队综述了FDM、DIW、SLA、BJ四大增材制造技术在电池领域的应用，包括多孔碳骨架、硅石墨复合负极、高压LCO和LFP正极，以及可打印固态与准固态电解质。该技术显著提升能量密度、循环寿命和离子传输效率，助力电动车、柔性电子与新型储能发展。
来自北方民族大学的研究人员在 ACS Omega 期刊上发表了一篇全面综述，详细介绍了3D打印如何改变锂离子电池（LIB）的设计。这篇论文由楼晓飞、赵丽、高阳和南晓辉领导，探讨了利用增材制造技术来设计高性能电极和电解质的方法，以解决传统浆料涂覆工艺的局限性。
作者指出，增材制造能够实现精密设计的微结构，其性能优于传统涂覆技术。该综述重点介绍了四种关键的3D打印方法：熔融沉积建模（FDM）、直接墨水书写（DIW）、立体光刻（SLA）和粘结剂喷射（BJ），每种方法在制造锂离子电池组件方面都具有独特优势，并能够精确控制孔隙率和几何结构，从而释放更高的能量密度并延长循环寿命。
3DP-NC制备过程的示意图。图片来源：ACS Omega。
电池组件的精密工程
传统的锂离子电池电极依赖于浆料涂覆工艺，这种方法在几何形状和孔隙率的控制上存在局限性。相比之下，3D打印能够定制设计阳极和阴极，优化锂离子传输路径，减少无效材料的使用，并实现量身定制的结构设计。
3D打印NG电极的示意图。图片来源：ACS Omega。
对于阳极方面，创新包括多孔碳骨架、硅-石墨烯复合材料以及抑制枝晶生长的锂金属载体。例如，一种由锌金属有机框架（MOFs）衍生的氮掺杂碳框架，实现了均匀的锂沉积，并获得了30 mAh
·cm⁻²的面积比容量。
3D-Si/G电极的制备过程示意图。图片来源：ACS Omega。
在阴极方面，高电压的钴酸锂（LCO）和磷酸铁锂（LFP）电极通过设计优化的离子通道实现了优异性能，在超厚配置中分别达到5.16 mAh·cm⁻²（LCO）和350 Wh·kg⁻¹（LFP）的表现。
该团队还介绍了3D打印的固态和准固态电解质。包含紫外光固化凝胶和离子液体的可打印墨水，已经展示出良好的离子电导率和界面稳定性，使3D打印成为未来固态电池系统的可行平台。
3D打印LCO电极的制造流程和LCO墨水组成的示意图。图片来源：ACS Omega。
增材制造遇上电化学
随着电动汽车和消费电子对先进锂离子电池的需求不断增长，3D打印正成为原型开发和能源设备生产的多功能工具。近期有关3D打印钠离子电池、柔性电子和形状贴合电池的研究，反映出能源存储系统正向数字化制造的趋势发展。
此外，研究团队正越来越多地将3D打印与机器学习和新型墨水化学相结合，以实现配方和性能优化的自动化，如圣母大学（Notre Dame University）团队的最新研究所示。
展望与局限性
尽管作者强调了3D打印在电池结构设计上的前所未有的控制能力，但该技术仍面临材料方面的限制，尤其是需要导电且可打印的墨水，以避免传统热塑性材料的性能折衷。热退火等后处理步骤也进一步增加了制造流程的复杂性。
可扩展性同样是一个挑战，大多数方法仍难以平衡分辨率与打印速度。然而，多材料打印和机器学习辅助的墨水配方等新策略提供了有希望的解决方案。固态电解质同时体现了潜力与难点——尽管3D打印版本可以实现具有竞争力的离子电导率，但界面电阻等问题尚未解决。
作者建议，在短期内，增材制造可能会在柔性电子和超厚电极等特殊应用中找到最强的市场定位。随着墨水化学和工艺集成的进步，3D打印有望从根本上重塑下一代电池的设计与制造方式。
