動力強勁的 F1 賽車、穿梭飛行的無人機、士兵的單兵背包、智能可穿戴設備，這些產品有著一個共同點：都需要電池供電。理想狀態下，電池能精準適配各類不規則的邊角、曲面與空隙，但如今的圓柱或方形電池電芯卻難以實現這一點。曾參與設計梅賽德斯 - AMG 馬石油車隊賽車、助力該車隊拿下七連冠的工程師 Gabe Elias，聯合創立了一家初創企業，推出電池 3D 打印技術 —— 可將電池直接打印在設備表面，填充各類設備和交通工具中的閑置空間。

該公司近期與美國空軍簽下一份價值 125 萬美元、為期 18 個月的合同，旨在驗證這項技術的應用潛力。目前該公司正與硅谷的 Sakuú、德國的 Blackstone Technology 等企業同臺競技，全力推動可適配多形態的打印電池技術商業化。2023 年 Gabe Elias 聯合創立 Material Hybrid Manufacturing后不久，團隊便發現，最初為乘用車定制異形打印電池的業務方向進展停滯。電動汽車，尤其是大尺寸車型，在電池布置上并無迫切的空間限制。Elias 曾任職的 Rivian 旗下電動 SUV 和皮卡，可在 135 千瓦時的大容量電池包中裝入 7776 節圓柱電池。

為此，公司調轉研發方向，將目光投向存在大量閑置空間、亟需高空間利用率供電方案的小型設備。其自研的 Hybrid3D 制造平臺，可實現全棧式電池的原位 3D 打印，一體化成型陽極、陰極、隔膜與電池外殼，全程無需模具和高成本工裝。這項技術摒棄了傳統電池中占據大量空間的金屬外殼、匯流排等部件，Material 的電池活性材料可填充各類空隙、貼合三維曲面，比如無人機的機翼、智能眼鏡纖細彎曲的鏡臂等結構，都能成為電池的載體。

“各類設備正朝著小型化發展，我們的技術也隨之適配這一趨勢，讓電池貼合設備形態做小型化設計。”Elias 表示，“電子元器件正不斷向嵌入式、集成化、高優化方向發展，而電池卻是這一進程中唯一掉隊的環節。”

Material 已與 Performance Drone Works（PDW）展開合作，推動該技術的商業化落地。雙方首個合作項目將驗證：在現有無人機可容納 48 節圓柱電池的同款模塊化空間內，3D 打印電池能填充多少電池活性材料。測試結果顯示，即便在這款經過簡化的概念驗證型無人機上，打印電池的能量密度也提升了 50%，空間利用率較傳統電池提高 35%。

“這一技術為設備設計帶來了多種可能性。”Elias 說，“無人機要么能提升 50% 的續航里程，要么可縮小電池包體積，搭載更多有效載荷，同時保持原有續航不變。”

按需適配，極致貼合

下一代打印電池設計方案將進一步突破：可將電池材料直接鋪設在無人機機架、電機及其他設備表面，進一步提升能量密度和空間利用率。以軍用單兵背包為例，傳統背包因裝載大塊方形電池而十分笨重，采用打印電池技術后，電池可貼合背包形態定制，既減輕重量，又提升人體工學適配性；軍用頭盔也可直接集成打印電池，為頭戴式設備供電。

Elias 仍任職于梅賽德斯車隊時，曾嘗試將傳統電池電芯貼合賽車座椅布置，優化車內空間利用。即便在 F1 這種頂級車隊為追求速度每年投入數億美元的領域，梅賽德斯車隊最終還是放棄了這一嘗試。

“這個項目最后只能叫停，我們當時束手無策 —— 把這些細小的圓柱電池塞進異形空間，并按照設計要求拼接成組，操作難度實在太大。”Elias 回憶道。

在他看來，Material 的打印電池技術，是汽車領域碳纖維及其他復合材料結構的自然發展方向，與 “電芯到電池包”（cell to pack）技術一脈相承 —— 該技術摒棄了電池模組，讓電池成為設備結構的有機組成部分。

“我們正將儲能系統轉化為一個標準化子系統，就像汽車上的其他所有子系統一樣。”Elias 表示。

Material 首款商用級 3D 電池打印機的打印臺尺寸為 550×350 毫米，公司計劃大幅擴大其打印面積。該技術本質上融合了直寫式墨水打印和熔融沉積成型技術，這兩種技術也是各大電池打印企業的核心研發方向，均致力于推動這類新型儲能技術走向市場。

這項技術的核心優勢在于，電池從原型設計到實際打印生產，無需進行高成本、耗時長的工裝改造。Elias 稱，只需簡單更換打印材料、調整軟件編碼，該打印平臺就能適配多種電池化學體系和結構形態。

“我們已成功打印出 NMC811、NMC111、磷酸鐵鋰（LFP）、鈦酸鋰（LTO）等多種體系的電池，簡單來說，我們的技術不挑電池化學體系。”Elias 說。

目前 Material 的打印電池采用液態電解質，通過灌注工藝添加，公司已制定清晰的固態電池研發路線圖。現階段技術研發仍面臨兩大挑戰：一是調試電池材料配方，使其能順暢地從打印機噴嘴擠出；二是保證打印層厚的均勻性和重復性，打印層厚需控制在 100 至 150 微米左右，這是保障電池良品率和品質的關鍵。

“電池的性能和壽命，完全由打印層厚決定。”Elias 強調。

Elias 指出，蘋果等企業正投入巨資研發可變形電池，比如部分 iPhone 采用的 L 型電池，但這類電池仍依賴成本高昂、工藝受限的傳統制造方法。當下消費電子巨頭正全力推動可穿戴設備的普及，打印電池技術恰好能完美解決這類設備在封裝設計和供電需求上的痛點。他以蘋果 CEO Tim Cook 為例，其對增強現實（AR）技術的態度從最初的質疑轉變為如今的推崇，大力布局智能眼鏡領域。但 Elias 認為，消費者真正愿意接受智能眼鏡，前提是其外觀能做到雷朋眼鏡般的時尚，而非如今這種顯得笨拙的 “四眼” 造型。

“消費者想要的是智能眼鏡的連接性和實用性，但又不想戴著顯得笨拙，否則還不如直接拿出智能手機。” 他說，“我們認為，智能眼鏡這類設備未來會全面普及，每個人都會人手一臺。”

Elias 表示，若企業能像辦公室打印文件一樣便捷地打印電池，這項技術將取代傳統電池生產中大量高成本的工裝、專用生產線和耗時的工藝流程。屆時，打印電池將在全市場實現成本競爭力，從小型單體電池到復雜的多電芯電池包均能覆蓋 —— 目前傳統電池包的單位成本約為 400 至 3000 美元 / 千瓦時。

“電池包的結構越復雜，我們通過部件集成和系統整合創造的價值就越高，這類應用場景也能為我們帶來更高的利潤空間。”Elias 說。