3D打印“无形电池”瞄准小型设备：从形状革命能源储存

一家名为 Material Hybrid Manufacturing 的初创公司正试图用“几何形态”而非化学配方来推动下一轮电池革命。 这家公司由曾在梅赛德斯-AMG F1 车队和 Rivian 任职的工程师 Gabe Elias 于 2023 年创立，开发出一套能够直接在各种曲面和结构上“打印”完整电池系统的 3D 打印工艺，有望打破传统方形、圆柱电芯对设备设计的束缚。

今年早些时候，Material 获得了美国空军 125 万美元合同，用于在 18 个月内验证这套 3D 打印电池技术在国防和航天硬件上的可行性，重点展示可弯曲、可贴合结构表面的“可变形电池”如何释放设计自由度。 在这一新兴赛道上，该公司正与硅谷的 Sakuú、德国的 Blackstone Technology 等竞争者同台竞技，抢占打印电池商业化先机，特别瞄准那些“形状决定功能”的小型系统场景。

Material 的专有平台 Hybrid3D 能够逐层打印出电池的所有关键组成部分——阳极、阴极、隔膜以及外壳——整个过程无需模具和传统工装。 系统结合了直写式喷墨打印和熔融沉积成型的原理，以 100 至 150 微米的层厚依次沉积活性材料，随后再注入液态电解液完成电芯，目前公司也在开发固态版本，作为后续产品形态。

与依赖金属外壳、汇流排和大量线束的传统制造模式不同，这种打印方式可以把电池“隐身”到现有结构中。 在无人机上，电池有望沿机翼或机臂分布；在可穿戴设备上，电芯可以沿智能眼镜镜框弯曲铺展，而不再是一个固定形状的电池模组。 Elias 在接受 IEEE Spectrum 采访时表示，Hybrid3D 工艺几乎可以适配任意几何形态，同时在电池化学体系上保持灵活，可通过更换输入材料和软件参数，在 NMC 811、NMC 111、磷酸铁锂（LFP）以及钛酸锂等多种体系之间切换。

Material 的创始团队最初曾把应用重点放在汽车行业，希望为电动车打造定制形状的电池包。 但他们很快发现，电动车整车布置空间相对宽裕，例如一台 Rivian 皮卡的 135 千瓦时电池包内就能容纳超过 7700 颗圆柱电芯，因此形状优化的边际收益有限。 相比之下，小型无人机、单兵装备以及新一代消费电子设备面临的空间约束更为严苛，电池往往成为“被动适配者”。 正如 Elias 所言，各种电子元件都在不断嵌入、整合和优化，而电池却是这套方程式中唯一没能同步进化的部分。

为了从概念走向验证，Material 与无人机制造商 Performance Drone Works（PDW）合作，对其一款无人机进行电池改造。 在占用与原有 48 颗圆柱电芯电池组相同体积的前提下，Material 打印出的电池实现了能量密度提升 50%，内部空间利用率提高 35%。 按团队的测算，这种效率提升有望转化为飞行距离翻倍，或者在保持航程不变的情况下显著提高载荷能力。 如果技术进一步扩展，电池有可能直接“写进”机体结构甚至电机外壳，从根本上取消传统意义上的电池模组。

在军事场景中，这种技术的潜在价值尤为明显：更轻、更符合人体工学的单兵电源背负系统，以及在头盔中直接集成电源，为高性能光学设备与通讯系统提供支撑。 Elias 回忆称，在梅赛德斯-AMG 工作时，他曾尝试将电芯绕着 F1 车手座椅布置，以优化空气动力学和重量分布，但最终因为机械复杂度过高而搁置，这段经历也促成了后来“让电池成为结构一部分”的增材制造思路。

在他看来，这是一条顺延“电芯直连电池包”理念的必然路径——从把电芯做成模组，再到直接做成电池包，如今则是进一步将储能变成结构子系统，而非独立组件。 Material 的首台商用级打印设备拥有 550×350 毫米的平台尺寸，公司已经在开发更大规格的打印机，以支持更大组件的成型。 这也意味着生产模式可能发生根本变化：未来某些产品可以从 CAD 模型直接走向实物，中间不再需要昂贵的产线改造和模具投资。

Elias 指出，传统消费电子巨头同样在探索可贴合结构的电池方案。 例如苹果已经通过常规工艺在 iPhone 上大量使用 L 形和异形电池，以挤出更多机身内部空间。 他认为，若能用打印方式实现类似甚至更复杂的几何形状，不仅成本有望显著下降，可扩展性也更强，对未来希望兼顾外观与续航的智能眼镜等可穿戴设备至关重要。

要让这套理念真正落地，Material 仍需在工艺稳定性上持续打磨，尤其是材料流变特性和层厚控制，需要在接近人类发丝宽度的尺度上保持高度一致性，以保证良率和性能一致性。 尽管如此，从经济性角度看，前景依然具有吸引力：一旦成熟，3D 打印电池有望覆盖从单体电芯到多千瓦时电池包的广泛价格区间，而后者目前的市场价格大约在每千瓦时 400 至 3000 美元之间。

通过减少零部件、简化装配流程，打印电池在对形状和重量尤为敏感的航天和国防等复杂应用中，有望获得更高利润空间，因为在这些领域，结构集成度和灵活性往往比单纯的单位成本更重要。 对 Material 而言，如果 Hybrid3D 最终证明可行，电池的形状将不再是设计的约束，而会成为设计本身的一部分。