北京
2026年7月，南極熊獲悉，加州理工學院研究團隊利用3D打印技術重新設計鋰離子電池正極的內部結構，用三維微晶格替代傳統平面電極，在不改變電池基本化學性質的前提下提高了充放電效率，同時去除了對鈷的依賴。
△相關研究成果已發表在《ACS Energy Letters》上，研究題目為“微結構LiFePO4-碳鋰離子電池電極的結構-傳輸關系”（傳送門）
二十多年來，鋰離子電池為智能手機、筆記本電腦、電動汽車、無人機，甚至許多醫療設備提供動力。電池技術近年來取得了長足進步，但依然存在過熱問題，需要使用鈷等昂貴材料，而且改進難度也越來越大。
△Julia Greer教授
一種不同的電池制造方法
目前大多數鋰離子電池都采用扁平的層狀電極。這種設計多年來一直運行良好，因為它制造起來相對容易。但加州理工學院的研究團隊另辟蹊徑。他們沒有制造扁平的陰極，而是設計并3D打印了一個具有精細結構的微型陰極。
△3D打印電池電極的顯微鏡圖像與結構示意圖
這樣一來，鋰離子就不再局限于扁平的層狀電極，而是可以在更復雜的三維網絡中移動。研究人員表示，這有助于電池更高效地存儲和釋放能量。這一點很重要，因為每次電池充電或放電時，鋰離子都必須在電極之間移動。如果這個過程更短、更順暢，電池就能更好地工作。
加州理工學院材料科學、力學和醫學工程教授Julia Greer指出："如果你制造一個三維結構的電池而不是平面電池，那么每個鋰離子在穿過電解質時都會有一個活性表面可供使用。"換句話說，這些額外的表面為離子提供了更多的移動空間，有助于電池比傳統的平面設計更有效地傳輸能量。
△LFP/C復合電極水凝膠注入增材制造工藝示意圖及所得晶格的代表性圖像
水凝膠灌注增材制造
其中一項最大的變化在于材料。新型電池組件不使用鈷，而鈷是目前許多鋰離子電池中常用的金屬。鈷價格昂貴、儲量有限，而且開采鈷礦還引發了環境和人權方面的擔憂。電池公司多年來一直致力于減少或替代鈷的使用，而這項研究有望使之成為可能。
該團隊還改變了電池組件的制造方式。他們沒有采用傳統的制造方法，而是使用了一種名為水凝膠注入增材制造（HIAM）的3D打印技術，該技術由加州理工學院格里爾實驗室開發。HIAM技術被用于構建一個小型、高精度的結構。如果采用傳統制造方法，制造出同樣的結構將極其困難。
△微結構電極的電化學建模
這項研究并未發明新的電池材料，而是找到了一種利用3D打印對現有材料進行重新塑形的新方法。改變電池部件的形狀會改變電池的工作原理。新的3D設計為鋰離子在電池內部提供了更大的移動空間，這有助于提高電池的充放電效率，同時保持鋰離子電池的基本化學性質不變。
目前這項研究仍處于實驗室階段，尚未進入量產。將新型電極結構從實驗室推廣到數百萬件產品通常需要數年時間，制造商在規模化采用之前仍面臨諸多工程挑戰。
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