3D打印技术在全固态电池制造中的应用与挑战：从复杂结构设计到产业化突破

【编辑推荐】为解决传统液态锂电池能量密度瓶颈与安全隐患，研究人员探索3D打印技术在全固态电池(ASSBs)制造中的应用。通过对比DIW、IJP、SLA等增材制造技术，揭示了其在电极/电解质界面优化、复杂结构成型及成本控制方面的优势，为下一代高安全性、高能量密度电池的工业化提供新思路。

　　

随着新能源汽车和智能设备的爆发式增长，人类对高能量密度、高安全性储能器件的需求达到前所未有的高度。传统液态锂电池(LIBs)虽经多年发展，却始终无法突破两大桎梏：易燃液态电解质(LEs)带来的安全隐患，以及能量密度提升遭遇的天花板。当电池内部温度超过80°C时，LEs中的有机溶剂极易引发热失控，而电极/电解质界面的副反应又持续消耗锂离子，这些问题如同达摩克利斯之剑高悬在储能领域头顶。

全固态电池(ASSBs)以其不可燃的固态电解质(SEs)和理论更高的能量密度，被视为破局的关键。实验室中，某些SEs的离子电导率已达10^-3-10^-2 S/cm，媲美液态电解质；千次以上的稳定循环更展现出产业化曙光。然而从实验室走向量产时，大尺寸SEs薄膜制备、电极负载控制、固-固界面接触等挑战接踵而至，传统浆料涂布和薄膜沉积工艺显得力不从心。

在此背景下，中国科学院大学吴凡教授团队在《Materials Science and Engineering: R: Reports》发表综述，系统探讨了3D打印技术如何为ASSBs制造开辟新路径。研究人员通过对比分析六种主流3D打印技术（包括直接墨水书写DIW、喷墨打印IJP、立体光刻SLA等）在电极和电解质制造中的适用性，揭示了增材制造技术在解决ASSBs核心痛点上的独特优势。

关键技术方法包括：1）采用DIW技术打印具有微通道结构的电极，改善散热和离子传输；2）通过SLA光聚合制备多层固态电解质薄膜；3）利用SLS激光烧结实现高精度电极成型。研究团队特别关注了不同打印技术对材料流变性能、界面接触阻抗等关键参数的影响。

【不同3D打印技术在电池制造中的应用】
DIW技术通过调控墨水流变性能，可室温打印LFP正极和LTO负极，比容量分别达160 mAh/g和170 mAh/g。其优势在于无需高温处理，但面临浆料屈服应力需精确控制的挑战。SLA则擅长制备亚微米级精度的SEs薄膜，不过光敏树脂残留可能影响电化学性能。

【全固态电池电极和电解质的3D打印制造】
相较于传统湿法工艺需要大量溶剂，3D打印可实现干法电极制备，避免SEs与溶剂的不兼容问题。例如采用GO基浆料DIW打印的电极，活性物质负载量提升30%，且循环稳定性显著改善。

【界面接触问题】
针对固-固界面阻抗高的难题，3D打印能精确控制电极/电解质三维形貌，通过构建互锁结构将接触面积提升5-8倍。实验显示，具有分级孔隙的3D打印电极可使界面电阻降低至传统工艺的1/3。

【总结与展望】
研究表明，DIW在聚合物电解质和硫化物SEs打印中展现最大潜力，而SLA更适合氧化物电解质精密成型。当前限制在于打印精度与材料性能的平衡，未来需要开发专用功能墨水。该工作为ASSBs从实验室走向产业化提供了关键技术路线图，其提出的"结构-性能一体化打印"理念，或将重塑下一代电池制造范式。

这项研究的重要意义在于：首次系统建立了3D打印技术与ASSBs关键性能参数的对应关系，为解决界面阻抗、规模化生产等产业化瓶颈提供了全新思路。正如文中所强调的，当传统制造工艺遭遇物理极限时，增材制造带来的设计自由度和材料节约优势，可能成为推动能源存储技术跨越式发展的关键杠杆。