近日，日本东北大学程建锋、武汉理工大学罗国强、上海交通大学王洪泽领导的联合研究团队，在材料科学顶级期刊Materials Science & Engineering: R-Reports (MSE-R，影响因子26.8)上发表了题为“3D Printing in Lithium Battery Manufacturing: Opportunities, Challenges, and Perspectives”的长篇综述。
综述文章系统梳理了3D打印技术在锂电池制造中的最新进展，并首次从材料、结构、界面及人工智能协同设计的角度，提出下一代智能电池制造的系统路线图。
本期谷·专栏将分享该论文的亮点内容。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101211
该论文第一作者魏靖为日本东北大学与武汉理工大学联合培养博士研究生，通讯作者为日本东北大学程建锋教授、武汉理工大学罗国强教授和上海交通大学王洪泽教授。
跨越二维极限
拓扑优化重塑电池力学与电化学性能
随着高比能固态电池的发展，传统涂布工艺R2R的局限性日益凸显。联合团队在文中全面评估了包括直写成型（DIW）、激光粉末床熔融（LPBF）和光聚合在内的多种增材制造技术。
文章指出，利用3D打印构建诸如螺旋面（Gyroid）铜集流体或石墨烯气凝胶电极等复杂三维架构，能够实现极片孔隙率和几何形状的精准定制。通过这种结构拓扑优化，不仅能保障离子的快速传输并抑制锂枝晶生长，更能有效缓解充放电过程中的剧烈体积膨胀，显著降低材料内部的局部峰值应力，从而赋予电池卓越的力学稳健性（Mechanical robustness）。
图1 锂电池发展历程
图2 3D打印锂电池中的设计潜力、技术挑战及工业化路径蓝图
聚焦全固态前沿
破解复合电解质界面难题
针对下一代全固态锂电池（ASSLBs）的核心痛点，该综述重点探讨了3D打印在破解材料化学与界面完整性方面的挑战。特别是在制备复合聚合物电解质时，如何平衡超过70 wt%的高陶瓷活性填料负载量与墨水流变学稳定性，以及如何将异质层间的界面阻抗降至最低，是目前跨越亚百微米级结构保真度的关键科学与工程瓶颈。
图3 3D打印制备的固态电解质（SEs）：(a)通过直写成型（DIW）制备的PVDF/LiTFSI/LLZTO复合电解质；(b)通过DIW制备的PVDF/Al₂O₃复合电解质；(c)通过熔融沉积成型（FDM）制备的PEO/LiTFSI电解质丝材。
值得关注的是，该综述并未止步于3D打印技术本身，而是进一步提出“AI辅助电池智能制造”新范式。团队系统总结了高斯过程优化、生成式模型设计及闭环反馈控制在墨水配方优化、微结构反向设计和打印过程调控中的应用路径，为未来自主化、智能化电池制造提供了理论框架。
融合人工智能
数据驱动引领材料研发范式变革
面对复杂的墨水配方与庞大的工艺参数空间，联合团队在文中深度剖析了传统电池制造与3D打印制造之间的根本矛盾，前瞻性地指出：3D打印技术能够实现电池性能与传统工艺限制的彻底“解耦”，并将“可制造性”重新定义为一项关键的设计参数。
为了实现这一目标，未来的研发必须高度依赖数据驱动与人工智能（AI）辅助策略。文章详细探讨了如何利用高斯过程（Gaussian-process）优化墨水配方，以及运用生成式模型（Generative modeling）进行微观结构设计，从而直接逆向指导电池的力学与电化学多目标优化。
图4. 3D打印锂电池组件的可打印性-性能全景图。该概念框架展示了材料组成和打印参数如何界定三个操作区间：聚合物主导区（高可打印性，低电导率）、优化复合区（性能均衡），以及陶瓷主导区（高电导率，低可打印性）。最佳区域代表了流变学稳定性、结构保真度与电化学效率之间的平衡。人工智能（AI）辅助设计策略能够将性能边界向上推移，从而拓展可实现的性能区间。
图5.包含三个AI驱动步骤的AI辅助3D打印工作流程：(I)面向制造的设计（DfM）步骤，(II)AI引导的切片步骤，以及(III)作为实时反馈闭环3D打印框架的打印后评估步骤。
打破学科壁垒
迈向智能制造新纪元
展望未来，研究团队在文中强调，3D打印在锂电池领域的发展已超越单一的技术进步，代表着一种全新的制造范式。通过将电化学约束转化为设计变量，3D打印彻底打破了材料科学、机械设计与数据智能之间的学科界限。
在这个统一的框架下，材料的可打印性、结构精度与电化学功能实现了无缝集成与协同优化。实现这一宏大愿景需要构建协调一致的全球性框架，建立可打印材料的互操作标准、开放的数据描述符图谱以及AI引导的设计库。国际合作也应跨越竞争，走向共享学习的创新生态系统。
最终，3D打印、人工智能与全球标准化的深度融合，将推动锂电池制造从传统的经验主义彻底走向智能“可制造性”，构建出一个具备自我分析、自我完善能力的可持续生产生态，为下一代数字化智能能源系统（涵盖柔性电子、电动汽车及电网级储能）提供坚实的架构骨干。
图6.对比分析：(A)传统电池制造与基于3D打印的制造方法在多个维度上的归一化对比，具体维度包括设计灵活性、材料利用率、界面控制、制造工艺复杂性、可扩展性对比精度与材料包容性、性能优化，(B)各类3D打印技术的性能对比，包括(B1)选择性激光熔化(SLM)，(B2)直写成型(DIW)，(B3)喷墨打印(Inkjet)，(B4)立体光固化成型(SLA)，(B5)熔融沉积成型(FDM)，以及(B6)整体技术对比。
【合作项目资助】
本研究为中日多方合作完成，得到多项科研基金与校企合作项目支持，包括：日本东北大学材料科学核心研究集群（CRC-MS）、东电纪念财团（TEPCO Memorial Foundation）基础研究基金、日本学术振兴会（JSPS）科学研究费助成事业（JP25K18058）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2021B0301030001）、国家自然科学基金（52441503），以及上海交通大学—宁德时代（SJTU-CATL）新能源电池9σ联合研究项目的部分支持。
程建锋课题组依托Tohoku University先进材料研究所（Advanced Institute for Materials Research, AIMR）与材料科学核心研究集群（CRC-MS），致力于下一代能源存储材料与器件的前沿研究，重点聚焦固态电池关键材料、界面科学以及数据驱动材料设计。
课题组主页：https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/~ej-cheng/Research.htm
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