加州理工学院用3D打印重构锂电正极：去钴，让锂离子走三维路径

2026年7月，南极熊获悉，加州理工学院研究团队利用3D打印技术重新设计锂离子电池正极的内部结构，用三维微晶格替代传统平面电极，在不改变电池基本化学性质的前提下提高了充放电效率，同时去除了对钴的依赖。

△相关研究成果已发表在《ACS Energy Letters》上，研究题目为“微结构LiFePO4-碳锂离子电池电极的结构-传输关系”（传送门）

二十多年来，锂离子电池为智能手机、笔记本电脑、电动汽车、无人机，甚至许多医疗设备提供动力。电池技术近年来取得了长足进步，但依然存在过热问题，需要使用钴等昂贵材料，而且改进难度也越来越大。

△Julia Greer教授

一种不同的电池制造方法

目前大多数锂离子电池都采用扁平的层状电极。这种设计多年来一直运行良好，因为它制造起来相对容易。但加州理工学院的研究团队另辟蹊径。他们没有制造扁平的阴极，而是设计并3D打印了一个具有精细结构的微型阴极。

△3D打印电池电极的显微镜图像与结构示意图

这样一来，锂离子就不再局限于扁平的层状电极，而是可以在更复杂的三维网络中移动。研究人员表示，这有助于电池更高效地存储和释放能量。这一点很重要，因为每次电池充电或放电时，锂离子都必须在电极之间移动。如果这个过程更短、更顺畅，电池就能更好地工作。

加州理工学院材料科学、力学和医学工程教授Julia Greer指出："如果你制造一个三维结构的电池而不是平面电池，那么每个锂离子在穿过电解质时都会有一个活性表面可供使用。"换句话说，这些额外的表面为离子提供了更多的移动空间，有助于电池比传统的平面设计更有效地传输能量。

△LFP/C复合电极水凝胶注入增材制造工艺示意图及所得晶格的代表性图像

水凝胶灌注增材制造

其中一项最大的变化在于材料。新型电池组件不使用钴，而钴是目前许多锂离子电池中常用的金属。钴价格昂贵、储量有限，而且开采钴矿还引发了环境和人权方面的担忧。电池公司多年来一直致力于减少或替代钴的使用，而这项研究有望使之成为可能。

该团队还改变了电池组件的制造方式。他们没有采用传统的制造方法，而是使用了一种名为水凝胶注入增材制造（HIAM）的3D打印技术，该技术由加州理工学院格里尔实验室开发。HIAM技术被用于构建一个小型、高精度的结构。如果采用传统制造方法，制造出同样的结构将极其困难。

△微结构电极的电化学建模

这项研究并未发明新的电池材料，而是找到了一种利用3D打印对现有材料进行重新塑形的新方法。改变电池部件的形状会改变电池的工作原理。新的3D设计为锂离子在电池内部提供了更大的移动空间，这有助于提高电池的充放电效率，同时保持锂离子电池的基本化学性质不变。

目前这项研究仍处于实验室阶段，尚未进入量产。将新型电极结构从实验室推广到数百万件产品通常需要数年时间，制造商在规模化采用之前仍面临诸多工程挑战。