电子产品世界

动力强劲的 F1 赛车、穿梭飞行的无人机、士兵的单兵背包、智能可穿戴设备，这些产品有着一个共同点：都需要电池供电。理想状态下，电池能精准适配各类不规则的边角、曲面与空隙，但如今的圆柱或方形电池电芯却难以实现这一点。曾参与设计梅赛德斯 - AMG 马石油车队赛车、助力该车队拿下七连冠的工程师 Gabe Elias，联合创立了一家初创企业，推出电池 3D 打印技术 —— 可将电池直接打印在设备表面，填充各类设备和交通工具中的闲置空间。

该公司近期与美国空军签下一份价值 125 万美元、为期 18 个月的合同，旨在验证这项技术的应用潜力。目前该公司正与硅谷的 Sakuú、德国的 Blackstone Technology 等企业同台竞技，全力推动可适配多形态的打印电池技术商业化。2023 年 Gabe Elias 联合创立 Material Hybrid Manufacturing后不久，团队便发现，最初为乘用车定制异形打印电池的业务方向进展停滞。电动汽车，尤其是大尺寸车型，在电池布置上并无迫切的空间限制。Elias 曾任职的 Rivian 旗下电动 SUV 和皮卡，可在 135 千瓦时的大容量电池包中装入 7776 节圆柱电池。

为此，公司调转研发方向，将目光投向存在大量闲置空间、亟需高空间利用率供电方案的小型设备。其自研的 Hybrid3D 制造平台，可实现全栈式电池的原位 3D 打印，一体化成型阳极、阴极、隔膜与电池外壳，全程无需模具和高成本工装。这项技术摒弃了传统电池中占据大量空间的金属外壳、汇流排等部件，Material 的电池活性材料可填充各类空隙、贴合三维曲面，比如无人机的机翼、智能眼镜纤细弯曲的镜臂等结构，都能成为电池的载体。

“各类设备正朝着小型化发展，我们的技术也随之适配这一趋势，让电池贴合设备形态做小型化设计。”Elias 表示，“电子元器件正不断向嵌入式、集成化、高优化方向发展，而电池却是这一进程中唯一掉队的环节。”

Material 已与 Performance Drone Works（PDW）展开合作，推动该技术的商业化落地。双方首个合作项目将验证：在现有无人机可容纳 48 节圆柱电池的同款模块化空间内，3D 打印电池能填充多少电池活性材料。测试结果显示，即便在这款经过简化的概念验证型无人机上，打印电池的能量密度也提升了 50%，空间利用率较传统电池提高 35%。

“这一技术为设备设计带来了多种可能性。”Elias 说，“无人机要么能提升 50% 的续航里程，要么可缩小电池包体积，搭载更多有效载荷，同时保持原有续航不变。”

按需适配，极致贴合

下一代打印电池设计方案将进一步突破：可将电池材料直接铺设在无人机机架、电机及其他设备表面，进一步提升能量密度和空间利用率。以军用单兵背包为例，传统背包因装载大块方形电池而十分笨重，采用打印电池技术后，电池可贴合背包形态定制，既减轻重量，又提升人体工学适配性；军用头盔也可直接集成打印电池，为头戴式设备供电。

Elias 仍任职于梅赛德斯车队时，曾尝试将传统电池电芯贴合赛车座椅布置，优化车内空间利用。即便在 F1 这种顶级车队为追求速度每年投入数亿美元的领域，梅赛德斯车队最终还是放弃了这一尝试。

“这个项目最后只能叫停，我们当时束手无策 —— 把这些细小的圆柱电池塞进异形空间，并按照设计要求拼接成组，操作难度实在太大。”Elias 回忆道。

在他看来，Material 的打印电池技术，是汽车领域碳纤维及其他复合材料结构的自然发展方向，与 “电芯到电池包”（cell to pack）技术一脉相承 —— 该技术摒弃了电池模组，让电池成为设备结构的有机组成部分。

“我们正将储能系统转化为一个标准化子系统，就像汽车上的其他所有子系统一样。”Elias 表示。

Material 首款商用级 3D 电池打印机的打印台尺寸为 550×350 毫米，公司计划大幅扩大其打印面积。该技术本质上融合了直写式墨水打印和熔融沉积成型技术，这两种技术也是各大电池打印企业的核心研发方向，均致力于推动这类新型储能技术走向市场。

这项技术的核心优势在于，电池从原型设计到实际打印生产，无需进行高成本、耗时长的工装改造。Elias 称，只需简单更换打印材料、调整软件编码，该打印平台就能适配多种电池化学体系和结构形态。

“我们已成功打印出 NMC811、NMC111、磷酸铁锂（LFP）、钛酸锂（LTO）等多种体系的电池，简单来说，我们的技术不挑电池化学体系。”Elias 说。

目前 Material 的打印电池采用液态电解质，通过灌注工艺添加，公司已制定清晰的固态电池研发路线图。现阶段技术研发仍面临两大挑战：一是调试电池材料配方，使其能顺畅地从打印机喷嘴挤出；二是保证打印层厚的均匀性和重复性，打印层厚需控制在 100 至 150 微米左右，这是保障电池良品率和品质的关键。

“电池的性能和寿命，完全由打印层厚决定。”Elias 强调。

Elias 指出，苹果等企业正投入巨资研发可变形电池，比如部分 iPhone 采用的 L 型电池，但这类电池仍依赖成本高昂、工艺受限的传统制造方法。当下消费电子巨头正全力推动可穿戴设备的普及，打印电池技术恰好能完美解决这类设备在封装设计和供电需求上的痛点。他以苹果 CEO Tim Cook 为例，其对增强现实（AR）技术的态度从最初的质疑转变为如今的推崇，大力布局智能眼镜领域。但 Elias 认为，消费者真正愿意接受智能眼镜，前提是其外观能做到雷朋眼镜般的时尚，而非如今这种显得笨拙的 “四眼” 造型。

“消费者想要的是智能眼镜的连接性和实用性，但又不想戴着显得笨拙，否则还不如直接拿出智能手机。” 他说，“我们认为，智能眼镜这类设备未来会全面普及，每个人都会人手一台。”

Elias 表示，若企业能像办公室打印文件一样便捷地打印电池，这项技术将取代传统电池生产中大量高成本的工装、专用生产线和耗时的工艺流程。届时，打印电池将在全市场实现成本竞争力，从小型单体电池到复杂的多电芯电池包均能覆盖 —— 目前传统电池包的单位成本约为 400 至 3000 美元 / 千瓦时。

“电池包的结构越复杂，我们通过部件集成和系统整合创造的价值就越高，这类应用场景也能为我们带来更高的利润空间。”Elias 说。

关键词： Material 3D 打印 电池

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