郑州轻工业大学ESM综述！3D打印技术攻克液态/固态电池关键挑战

研究背景

      随着便携电子设备和电动汽车的普及，对高性能电池的需求持续增长。传统锂离子电池因能量密度、寿命和安全性受限，难以满足需求。锂硫电池、锂金属电池等新型电池虽具潜力，但受制于电极材料和电解质的局限。3D打印作为一种新兴制造技术，以其高设计灵活性、成本效益和低废料生成，在电池制造领域展现出巨大潜力。它能快速构建复杂3D结构，克服传统制造方法在电极几何形状和架构控制上的不足，为电池性能提升提供新途径。

成果简介

     在这项研究中，研究人员深入探讨了3D打印技术在液态和固态电池制造中的应用。他们系统分析了3D打印在解决粉末电极、金属电极和固态电解质等关键电池材料问题上的优势和局限性。研究涵盖了3D打印技术的发展历程、主要技术原理及其优缺点，以及在不同电池材料中的具体应用实例。通过实验验证，研究人员展示了3D打印如何通过优化电极和电解质结构来提升电池性能，为未来电池制造提供了创新解决方案。

图文导读



图1展示了3D打印在液态、准固态和固态电池中的应用里程碑，反映了从2013年首次用于锂离子微电池到2024年在钠离子电池和锌离子电池等领域的应用进展。


图2为四种主要3D打印技术示意图，包括直接墨水写入（DIW）、熔融沉积成型（FDM）、立体光刻（SLA）和喷墨打印（IJP），这些技术各具特点和适用场景。


图3对比了五种关键3D打印技术在电池制造中的特性，包括打印分辨率、材料选择性、生产效率和成本等。


图4展示了3D打印碳基材料的应用实例，包括厚石墨负极和用于Li-CO₂电池的碳基框架。


图5为3D打印硅基负极的结构示意图，展示了如何通过3D打印缓解硅基负极的体积变化和提升离子/电子传导能力。


图6展示了3D打印金属氧化物基正极的应用，包括高负载量Fe5V15O39(OH)9·9H2O纳米片和rHGO复合材料在锌离子电池中的应用。


图7聚焦于3D打印硫基正极，展示了如何通过3D打印优化硫正极的接触面积和离子/电子传输路径。

结论

    3D打印技术在电池制造中具有显著优势，能有效解决传统制造方法面临的挑战。本研究系统梳理了3D打印在提升电池性能方面的潜力，为未来电池制造技术的发展提供了重要参考。研究人员强调，尽管3D打印技术在电池领域展现出巨大潜力，但仍需进一步优化打印精度、材料选择和工艺流程，以实现更高效、更稳定的电池性能。未来，随着技术的持续进步，3D打印有望成为电池制造中的核心工艺，推动电池技术向更高能量密度、更长寿命和更低成本的方向发展。

文献

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104342