綜述：3D打印如何實現隨形電池在緊湊型設備中的無縫集成
時間：2025-07-22 11:09 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年7月21日，深圳大學和清華大學的研究人員發表了一篇關于形狀適形電池的隨形3D打印技術的全面綜述，強調了在柔性電子產品、可穿戴設備和緊湊型嵌入式系統中革新儲能技術的潛力。
相關論文題為“Conformal 3D printing towardsshape-conformal batteries: a topical review”，于2025年2月發表在《虛擬與物理原型》雜志上，探討了在曲面上直接制造電池的關鍵策略、技術發展和挑戰，這是邁向單片器件集成的關鍵一步。
形狀適形電池
傳統電池，無論是剛性、平面還是封裝，對于注重緊湊性和復雜幾何形狀的新興產品而言，都構成了限制。在智能眼鏡、助聽器和微型無人機等應用中，可用空間通常決定著性能。形狀隨形電池有望通過將電源系統直接嵌入結構部件來突破這一限制。然而，傳統的制造技術難以在不規則表面上沉積和組裝電池材料。這正是隨形3D打印的用武之地。
與制造扁平并彎曲成形的柔性電池不同，隨形電池是在非平面幾何形狀上逐層構建的。這使得它們能夠完全貼合基底，最大限度地減少空間浪費并提高集成度。諸如直接墨水書寫 (DIW) 和氣溶膠噴射打印 (AJP) 等技術已成為關鍵推動因素，可為復雜表面提供高精度和多材料兼容性。
隨形電池制造的最新進展
一個值得注意的例子是 Yu 等人的研究，他們利用 AJP 技術在球形表面上制造鋰離子電池。氣溶膠墨水實現了正極和負極材料的非接觸式沉積，這些材料被直接打印在定制外殼上。裝置采用 FDM 打印的外殼密封，在 0.1C 電流密度下實現了 135 mAh g⁻¹ 的放電容量，并在 30 次循環后保持了 78.4% 的容量。雖然結果略低于平面基準，但證實了在復雜幾何形狀上直接打印電池的可行性。
△在非平面表面上氣溶膠噴射打印鋰離子電池。陰極和陽極被打印到帶有定制FDM外殼的曲面外殼上。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。
Ahn等人演示了如何使用三軸DIW系統制造耳形鋅離子電池。MnO₂和和Zn電極以交錯圖案打印，然后進行凝膠電解質和UV固化樹脂封裝。與將柔性片狀電池壓在曲面上（會導致分層和開裂）的嘗試相比，直接打印的裝置實現了牢固的粘合性和電化學穩定性。它能夠為助聽器模塊供電，在0.2 A g-¹電流密度下可提供248 mAh g-¹的容量。
△在耳形基底上直接打印鋅離子電池。隨形打印裝置成功為助聽器供電。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。
Fassler 等人探索了一種混合技術，將 DIW 和 AJP 相結合，在方形銅條上構建了一個共形鋰離子電池。陽極采用 DIW 沉積，以實現高材料負載；而 AJP 則用于獲得厚度在 4 至 12 微米之間的薄而均勻的隔膜層 (Pyrolux)。盡管由于非平面表面真空密封的挑戰，最終電池性能略有下降，但該研究展示了一種可行的多材料工藝流程。
△在方形銅條上混合制造隨形鋰離子電池。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。
在一項更集成的演示中，Meng 等人開發了一個五軸打印平臺，能夠在一次操作中構建電池、電路和傳感器。他們的系統使用多個壓電噴嘴來沉積低粘度材料（例如銀墨）和高粘度電池漿料。鋅離子電池、溫度傳感器和 LED 被打印到曲面基板上，并進行原位紫外固化和燒結。最終的組件作為一個獨立的智能系統運行，能夠響應熱量并激活 LED。
△五軸共形3D打印集成系統，包含鋅離子電池、溫度傳感器和LED，位于曲面上。圖片來自劉等人的《虛擬與物理原型》。
剩余的挑戰和未來展望
這些研究反映了共形電池研究的日益復雜化，同時也凸顯了持續存在的挑戰。固體電解質的高分辨率打印仍然困難，尤其是在需要平衡流動性、結構穩定性和離子電導率的情況下。封裝是另一個懸而未決的問題，因為傳統的電池外殼與復雜的幾何形狀不兼容。一些研究人員已經轉向紫外光固化封裝材料，盡管長期耐久性仍在評估中。
設計軟件也仍處于發展階段。雖然平面打印的切片工具現已成熟，但隨形電池打印需要自定義算法來生成曲面上的路徑。一些研究團隊已經使用 Grasshopper 和 MATLAB 構建了相關工具，但用戶友好的商業級解決方案仍然匱乏。
盡管面臨這些挑戰，作者認為共形電池技術正在穩步發展。隨著制造系統越來越普及以及材料不斷改進，形狀共形電池或將成為集成電子設計的核心特征。隨著進一步發展，電池有望從獨立組件轉變為與供電設備幾何形狀和功能相匹配的嵌入式系統。
擴大 3D 打印在能源和電子領域的作用
這篇綜述基于越來越多的研究成果，探討了3D打印如何重塑儲能和功能性電子產品。據《3D打印產業》雜志最近報道，首爾國立大學的研究人員展示了增材制造技術如何實現仿生能源系統的發電、轉換和存儲，預示著結構集成和性能齊頭并進的未來。同時，3D打印電子產品（例如nScrypt公司的產品）的進步，凸顯了共形3D打印電路結構日益復雜的趨勢。
(責任編輯：admin)
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