首爾國立大學表明3D打印正驅動能源設備創新，覆蓋發電、能量轉換與存儲應用
導讀：隨著3D打印技術的快速發展，增材制造正在重塑能源行業的未來格局，在核能、可再生能源、石油天然氣以及渦輪機械等領域都展現出巨大潛力。
2025年7月10日，南極熊獲悉，韓國首爾國立大學的研究團隊在《Nature Microsystems & Nanoengineering》期刊上發表了一篇全面的綜述文章，重點探討了增材制造技術如何革新能源技術的設計與生產。該綜述對3D打印在能源生產、轉換和存儲系統中的最新進展進行了分類，展示了增材制造如何使能源設備在整個生命周期中變得更高效、更緊湊和更實用。
傳統能源設備通常受到減材制造工藝的限制，包括材料兼容性受限和幾何復雜性受限。研究表明，3D打印能夠實現復雜的結構控制、快速成型以及微米和納米尺度的可擴展制造，從而突破了這些限制。事實證明，這些能力對于開發高性能、特定應用的能源解決方案至關重要。
生物啟發的能源生產突破
在能源生產領域，研究人員利用3D打印技術開發了仿生設計的聚合物電解質燃料電池（PEFC），功率密度提升了30%。此外，采用類似骨骼結構的鈦氣體擴散層，性能也提升了15%。太陽能應用方面，通過直接墨水寫入（DIW）技術生產的銀網電極實現了26.47%的高功率轉換效率。同時，基于折紙設計的FDM打印方法支持了柔性、可穿戴光伏電池的制造。
燃料電池、水分解系統和微生物燃料電池同樣從3D打印的多孔結構中受益，這些結構優化了物質傳輸并增加了活性表面積，進而顯著提升了電壓、效率和可擴展性。
能量轉換裝置走向3D化
增材制造技術正在推動壓電、摩擦電和熱電系統的創新。例如，利用數字光處理（DLP）技術，研究人員制造出了無需后極化的可編程各向異性響應壓電超材料。而通過FDM和DIW技術制造的分層結構，顯著提升了摩擦電納米發電機（TENG）的性能。
熱電發電機（TEG）方面，保形3D打印技術使設備更好地貼合曲面熱源，提高了能量獲取能力。研究展示了核殼微晶格和基于碳納米管（CNT）的架構，品質因數（ZT）高達1.09，超過了傳統制造的TEG性能。
結構智能的存儲解決方案
在能源存儲方面，3D打印電池和超級電容器的進展同樣值得關注。DIW和DLP技術實現了多孔電極結構，而SLA技術則使得電極設計的面積容量達到3.6 Ah/g。微晶格鋅陽極展現了無枝晶特性，而基于石墨烯氣凝膠和DLP打印的八面桁架電極的超級電容器，面積電容高達207.9 F/cm²，并具有增強的機械彈性。
一些電池系統甚至被設計為承重部件，這標志著向集成到結構元件中的多功能電源的轉變。
這項技術面臨的困難與機遇
當前，增材制造技術發展的關鍵挑戰主要集中在以下幾個方面：開發高性能的可打印材料、增強打印成品的機械強度、提升多材料及混合打印技術的能力，以及擴展生產規模以滿足更廣泛的應用需求。研究人員強調了結合多種AM方法的混合打印系統制造完全集成能源設備的潛力。新興的3D打印技術，如體積3D打印和基于MEMS的全息系統，能夠即時制造出適用于燃料電池和微流體的復雜幾何形狀。
顆粒擠出技術因它在大規模生產中的經濟高效性而受到青睞，尤其適用于電池外殼或超級電容器基板的生產。在微觀結構層面，混合FDM（b-FDM）技術能夠精確控制材料梯度，從而打造具有定制電學和熱學性能的能源設備。同時，激光粉末床熔合（LPBF）技術的進步，例如ADDiTEC的封閉粉末Fusion S系統，正在提高用于氫燃料電池和熱能系統的高性能金屬的打印質量和安全性。
總體而言，這項研究表明，不斷進步的3D打印技術正在為能源研究和工業可持續發展開辟新領域。
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