3D打印锂离子电池的专利技术分析

3D打印锂离子电池的专利技术分析

王韶华 邵囡

国家知识产权局专利局审查协作江苏中心 215163

摘要：3D打印作为一种飞速发展的快速成型技术，已经在各个领域广泛应用，同时锂离子电池因其电化学性能好、绿色环保和无记忆效应等优点同样受到广泛关注，3D打印成为制造小型化高容量电池的新方法之一。本文主要以专利数据为样本，分析了3D打印锂离子电池技术的发展概况。

关键词：3D打印 锂离子电池 专利技术

引言：与传统的电池制造技术相比，3D打印电池技术提升了电池性能，提高了电池设计的灵活性，简化了制造电池的流程，缩短了生产周期，降低了生产成本^[1]。3D打印为制造具有复杂结构和高性能的电池开辟了新的途径，受到了国内外研究者的广泛关注。锂离子电池作为主要的动力能源，成为新能源汽车的核心技术，同时也是柔性可穿戴设备的最佳备选电源。本文对3D打印锂离子电池相关的专利技术进行分析，理清该领域的发展脉络和专利分布情况，以期对3D打印锂离子电池未来的研究和布局提供一定的借鉴。

正文：伊利诺伊大学理事会的专利申请WO2013019489A1（微电池的三维多孔电极结构）最早对3D结构锂离子电池进行了专利布局，其公开了制造用于微电池的三维多孔电极结构的方法。帕洛阿尔托研究中心公司也于2012年提出三维电极结构相关的专利申请US2014186698A1（三维共挤出的电池电极）。

哈佛大学的詹妮弗·刘易斯课题组可以说是3D打印锂离子电池领域的领跑者，其于2013年首次报道利用自主研制的 3D 打印机打印出三维交叉型微电池^[2]，并对相应工作进行了PCT国际申请（WO2014182535 A1），并在之后数年间进行了持续地研发和专利布局。专利申请WO2014209994 A2（打印的三维(3D)功能部件及其制造方法）涉及3D打印技术制造的功能电子设备、制造方法、使用软件及3D打印机，电池作为功能电子设备的一种，其保护了直接写入制备、粉末层上的喷墨打印、粉末层的选择性激光烧结、立体光刻、熔融沉积成型、UV固化树脂的直接喷墨打印等方法，几乎囊括了现有的全部3D打印方法。专利申请WO2016144944 A1（可充电微电池的电极结构）公开了微电池的电极结构及形成方法。专利申请WO2019160810 A1（3D打印电池和3D打印电池的方法）公开了3D打印电池的具体方法，通过相对于基底移动的不同沉积喷嘴分别挤出电极油墨制剂及隔离剂油墨制剂。

前述课题组打印锂离子电池采用直写技术，电极为叉指结构，后续的专利申请不仅对直写技术、叉指型结构电极进行研究和改进，如改进墨水组成（CN107170956A、CN109774126A），对电极结构进行调整（CN107696471A）等，还对其他各种3D打印技术进行探索，涉及激光烧结（KR20150051648A1、CN108110219A）、喷墨打印（CN105322129A）、熔融沉积（WO2017055984A1、US2018141274A1）、光固化打印（CN110571475A）及共挤出（CN110112370A）等，也提出新的电极结构（US2018141274A1、CN109950635A）、3D打印机系统（KR20150051648A1、CN109774126A）以及新的应用（CN105826612A）。

2016年，财团法人工业技术研究院的专利申请CN108110219A公开了电池电极结构其制作方法，其通过激光烧结法在基材上形成图案化导电层及反应粒子，反应粒子与导电层共形结合。中国科学院沈阳自动化研究所于2014年的申请CN105322129A，公开了一种叠层锂离子电池电极结构及其喷墨打印制备方法，其方案基于自主研发的一款适用于打印柔性电池的打印机，打印出的柔性的锂离子电池具有很好的循环性能，该项研究成果在该领域引起极大的轰动。

华中科技大学的专利申请CN110571475A公开了一种光固化3D打印制备固态锂离子电池的方法，将具有高锂离子电导率的无机氧化物活性纳米填料和正负极活性材料，分别与具有半互穿结构的光敏聚合物网络基体复合，获得具有合适流变特性和光敏特性的复合固体电解质及正负极膏体材料，实现固态锂离子电池的一体化3D打印。哈尔滨工业大学CN110112370A以硅基材料和氧化石墨烯为主，加入粘结剂，制备均匀的可打印墨水，利用挤压式3D打印机打印复合电极，通过干燥处理和还原处理得到自支撑硅‑石墨烯复合电极，该复合电极拥有大量的分级多孔结构，能够缓冲硅基材料的体积膨胀，同时提高锂离子和电子在电极中的传输速率。

麻省理工学院的专利申请US2018141274A1采用熔融沉积法制备了纤维状电池，纤维状电池包括导电阳极和导电阴极，二者通过离子导电多孔区域彼此分开。西安交通大学的专利申请CN109950635A提出一种全固态连续纤维锂离子电池结构及其3D打印成形方法，采用同心多层复合单束锂离子电池通过3D打印成形，同心多层复合单束锂离子电池的最内层为金属丝与连续纤维组成的复合负极。

宁德新能源科技有限公司的专利申请CN105826612A则将3D打印技术应用于二次锂电池的封边方法，解决异形边折边困难的瓶颈。新加坡科技设计大学和空中客车新加坡私人有限公司联合申请的CN108695544A涉及通过3D打印技术沉积的用于高温锂离子电池关闭的导电碳涂覆聚合物，在锂离子电池的两个电极表面采用3D打印技术提供关闭聚合物添加剂。深圳大学CN109774126A设计了一种3D打印三维锂离子电池的装置，对现有的共挤出装置进行改进，同时改进了正负极及隔膜浆料，并公开了打印方法及三维锂离子电池。江苏厚生新能源科技有限公司CN111370621A提供了一种3D打印耐高温超柔多孔膜的制备方法，将PET粒子在3D打印机上进行熔融，在3D打印机上设置PET多孔膜的参数，将熔融的PET粒子通过3D打印机的喷头在冷却辊上进行打印。

基于前述分析，虽然3D打印锂离子电池技术的申请量不多，但该技术却已经受到越来越多的申请人关注，并进行相应的专利布局，也涌现出了越来越多的创新性的锂离子电池打印技术，为后续3D电池的发展奠定了基础。

参考文献：[1] Yaokun Pang，Yunteng Cao，et al．Additive Manufacturing of Batteries［J］．Adv. Funct. Mater.，2020，30 :1906244（1-22）．

2. SUN K，WEI T S，AHN B Y，et al．3D printing of interdigitated li-ion microbattery architectures［J］．Advanced Materials，2013，25( 33) : 4539-4543．

作者简介：王韶华，女，硕士，国家知识产权局专利局审查协作江苏中心，本文联系人：E-mail：shaohuawang1987@163.com

邵囡，女，硕士，国家知识产权局专利局审查协作江苏中心（对本文贡献等同前者）