3D打印作为一种很有前景的增材制造技术，由于其出色的制造灵活性、几何设计能力、成本效益和环境友好性，被广泛应用于各种电化学储能设备（EESD），如纳米和宏观尺度的电池和超级电容器的开发。
最近的研究强调了 EESD 中关键 3D 打印材料的优异电化学性能，因为它们具有增强的离子/电子传输能力和更快的动力学。因此，3D 打印 EESD 具有更高的能量密度和速率能力。
对于新兴的储能设备和装置，融入和开发新技术和新材料对于快速推进各种 EESD 应用至关重要。然而，最近很少有关于 EESD 中关键 3D 打印材料的结构设计和应用的全面评论，尤其是对于可充电电池。
南方科技大学曾林教授课题组近日在《科学》杂志发表研究报告，介绍了利用3D打印技术制造各类可充电电池的最新进展，概述了目前主要用于制造电化学储能装置的3D打印方法的典型特征，包括设计原则、材料选择、优化策略等。
作者还总结并讨论了可充电电池 3D 打印的关键材料，包括阳极、阴极、电解质、隔膜和 3D 集电器。它深入了解了可充电电池关键 3D 打印材料开发中的挑战和未来研究方向。
曾教授团队主要从事燃料电池、电解制氢、电化学储能材料与器件等方面的研究与开发，其工作基于电解质/电极界面耦合传质现象与电化学反应动力学的研究。
“我们探索了协同传质的机理，使电化学储能装置的性能得到了显著提升。近年来，我们在锂金属电池、锌金属电池、固态电池、高压正极、水电解、燃料电池等多个方向不断取得研究成果。”曾教授表示，其团队在3D打印二次电池领域做出了重大贡献，例如3D打印复合锌负极、3D打印固态电解质膜等。
“3D打印技术在电化学储能装置制造方面显示出了巨大的潜力，”该论文的第一作者穆永彪说。“通过分析‘Web of’数据库中的出版物和3D打印技术在电池中的应用，我们发现3D打印正变得越来越受欢迎，尤其是在新兴电池类型中。”
“可充电二次电池包括镍镉电池、铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和液流电池，由于其能够进行反复充电和放电循环，因此占据了电池市场的主导地位。”
“设计和制造关键部件（包括电极（阳极和阴极）、膜/电解质和集电器）的 3D 结构已被证明是优化结构和提高电池性能的有效方法。事实证明，在可充电电池中使用 3D 打印方法可以增强这些关键部件的基本功能，这些部件决定了电池的整体性能，例如能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。”
尽管3D打印在电化学储能装置（EESD）领域具有众多优势和巨大潜力，但为了进一步发展3D打印技术并促进其实际应用，仍然存在一些障碍和挑战需要解决。
例如，第一，要提升EESD的3D打印能力，关键是要分解3D打印设备功能，完善各个子系统，开发集成的打印平台；第二，需要研究用于可充电电池3D打印的多功能添加剂，以微调墨水的流变性并优化电化学性能。
此外，选择最佳的制造方法、工艺参数和结构参数也会显著影响电池的容量和功率。同时，全面了解电化学性能和结构设计之间的相互作用对于优化电池性能是必要的。
“尽管开发3D打印充电电池还存在挑战和不足，但我们相信，通过不断推进高效、经济、高性能、多样化的3D打印技术，3D打印将成为未来制造业不可或缺的一部分，弥合产业与基础研究之间的差距。”碳中和研究院副院长曾教授说。
“要推动商业应用，实际生产需要考虑制造成本、产品均匀性（包括结构稳定性、性能稳定性）、潜在应用场景和市场规模等因素。在诸多因素中，3D打印设备及材料成本是商业应用的关键，场地、人员等因素也不容忽视。”
“动力电池最终产品的安全性能要有显著提高，才能显示出诱人的技术优势和商业价值，尤其是高能量密度和降低的制造成本。”