全固态电池作为一种新型电池技术，在近年来得到了广泛的关注和研究。相较于传统液态电池，全固态电池具有更高的能量密度、更快的充放电速度和更好的安全性能。

但全固态电池在发展过程中面临着一些棘手的问题，其中解决电池界面的问题成为关键，包括固态电解质和电极材料之间的界面副反应和界面稳定性。此外，全固态电池的制造成本和循环寿命也需要进一步优化和改进。

3D打印技术在电池领域的应用

3D打印作为一种新型制造技术，它可以无须依赖任何模板精确控制从微观到宏观的形状与结构，从而提高电池的能量密度和功率密度。随着3D打印技术的迅速发展，越来越多的研究者开始尝试使用3D打印技术来制备全固态电池，为固态电池的量产提供了更多可能。

3D打印电池材料和工艺概览

它具有以下几个方面的显著优势：(1) 制造所需的复杂结构；(2) 精确控制电极形状和厚度；(3) 打印固态电解质结构稳定性高，操作安全；(4) 低成本、环保、易操作；(5) 通过直接集成电池和其他电子产品，消除设备组装和包装步骤。

目前，用于固态电池的3D打印技术主要是粘结剂（或浆料）喷射成型、粉末激光烧结技术SLS和光固化成型SLA\DLP。

粘结剂（或浆料）喷射成型

可以直接将粘结剂通过喷嘴选择性喷射到集流体上的电极粉末表面，然后将粉末材料粘结在一起形成实体层，逐层粘结，最终形成3D电极。通过来回两三次就可以粘结一个薄层的极片，下一层粉末可以是同样的材料也可以是电解质的材料。从而实现干法电极的制造或者是全固态电池的制造，通过层层叠加不断的粘结每一个平面，可以制造出任意形状的电极或者电池。

粉末激光烧结技术SLS

SLS的打印过程就是通过高功率的激光束照射烧结粉末材料，激光照射到的地方就会迅速融化粘结成型，没有照射到的还是粉末可以回收利用。在这样一个打印平台上可以实现多个电极片的制造。

此方法与粘结剂（或浆料）喷射成型技术都有望实现干法电极的制造。

光固化成型SLA\DLP

原理是通过紫外光或是光面照射固态电池的聚合物电解质或是有机无机混合电解质，使其逐层固化，叠加成型。但因为目前材料开发未完成，需要添加一些不具功能性的光聚合材料，会降低电池性能，所以应用范围有限。

3D打印在固态电池的应用中是一项很有前景的技术。由于该技术可以使用不同种类的打印材料，这使得研究人员可以改变电池中的电极、电解质、隔膜和堆叠的三维结构。

正极设计

利用3D打印技术可设计锂电池正极材料，实现二维电极向三维电极可控转变，可提高电极表面活性，缩短离子传输距离，实现高载量正极制备。此外，对正极材料厚度的可控性可实现对材料活性物质质量的可调，最终实现高能量密度以及高功率密度的锂电池目标。

3D 打印电池正负极

结构化负极

在锂电池负极的应用上，通过3D打印构筑结构化锂金属负极，可增大电极的比表面积，将总电场均匀地分布在整个多孔电极中，达到降低有效电流密度、均匀沉积和抑制电极体积膨胀的目的，从而提高电池的循环稳定性与安全性。另外，利用3D打印技术可实现打印材料形貌可控和模板的设计，利用电化学沉积或者熔融法可有效地控制金属锂的沉积 / 溶解行为，抑制锂枝晶生长从而达到锂金属电池长寿命循环的目标，解决电池短路问题。

隔膜/固态电解质设计

随着3D打印技术的不断发展，电池的电解质也可以直接打印，从而减少了制造程序、时间和成本。但由于空气稳定性的限制，硫化物和卤化物电解质可能不太适合被打印。因此，聚合物和氧化物电解质是有希望在全固态电池中进行3D打印的一类固态电解质。

3D打印隔膜可实现隔膜结构合理化设计和均匀的离子通量，减少锂枝晶的形成。为了使固态锂电池也获得高的离子电导率，通常需要将固体电解质掺入正极的活性材料中，这种固-固结合的界面必须是无缝且具有足够的灵活性，以满足充放电过程中所造成的几何变化。3D打印可精细优化界面结构，满足固态锂金属电池中严苛的固-固界面要求。

Sakuú

Sakuú是一家位于硅谷的创新电池公司，该公司正致力于将3D打印固态电池推向市场。Sakuu在2023年2月16日宣布，自2022年12月以来，Sakuú已经成功地在其硅谷电池试验工厂以完全干燥的工艺连续制造出定制形状和尺寸的3D打印全功能电池。

Sakuú发明了一种完全工业化的电池印刷工艺，使用专利的多材料、多层方法，采用并行和干燥工艺，而不是慢得多的层对层印刷或丝网印刷。Sakuú的发明可以提供低成本、高速的制造能力，以及形状和形式的灵活性，同时还可以提供对客户最重要的核心类别的电池。

Blackstone

专注于电池技术的瑞士投资公司Blackstone Resources于2019年成立了自己的德国研发子公司黑石科技（Blackstone Technology）。

2021年4月，黑石公司对外宣称已成功打印首款可工作的锂离子固态电池；2021年11月，黑石公司在萨克森州Döbeln的工厂开始批量生产3D打印锂基液体电解质电池。同时，还将使用3D打印生产下一代电池：固态钠电池；2022年3月，该公司宣布，预计最早于2025年将3D打印的钠离子电池商业化。除了软包电池外，还将生产棱柱形电池。

Photocentric

2020年9月15日， 3D打印机和材料制造商photocentric宣布成立3D打印电池研究部门，致力于开发环保的3D打印电池，并表示会持续加大投资力度，优化3D打印燃料电池在汽车中的应用。Photocentric自2020年以来已获得数百万政府投资，用于开发新型工业3D打印机，以制造用于电动汽车的固态电池。Photocentric的技术仍处于研发阶段，与 Sakuú或Blackstone的不同，它基于使用光聚合物的树脂3D打印。

到目前为止，Photocentric 已将聚合物电解质粘合剂以及阳极和阴极粉末开发成可印刷的光聚合物树脂。其正在申请专利的方法有望为英国市场低成本大规模生产轻型电池。

高能数造

高能数造（西安）技术有限公司成立于2021年，是国内一家聚焦并推出新能源电池数字制造平台的产业化公司。公司自主开发了浆料挤出层叠SEL增材制造技术，这项技术实现了低成本、高效率制造复杂形状的电池，并拥有独特设计的3D结构。并同时推出了可根据用户需求定制的电池专用3D打印机。公司自主研发了全固态电池一体化制造装备和全固态电池中试化生产平台。

结语

相比传统制备方法，3D打印技术具有制造复杂形状的电池结构的特性，可精确控制电池中固态电解质厚度和形状，能够大幅减少制造工序，成为固态电池制造领域的一个新方向。目前，固态电池仍然存在一些制造和商业化方面的挑战，3D打印技术仍处于发展阶段，成本、稳定性、可靠性和生产规模等问题需要进一步地研究和改进。

来源：粉体网