全文4800字，阅读需要9分钟。本文分享3D打印在固态电池领域的系列文章之一，Sakuu公司的专利分析，如果觉得AM易道文章有价值，请读者朋友帮忙转发点赞在看评论，支持AM易道创作。
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AM易道导语：
本系列应AM易道读者群的专业投资机构邀请选题创作。
系列的第一篇文章覆盖了Sakuu的公司的方方面面：
3D打印引领固态电池革命，从这家初创企业谈起
昨天提到，Sakuu公司成立于2016年（原名KeraCel），是一家致力于固态电池制造和先进3D打印技术的创新企业。
公司的核心技术围绕多材料Binder Jetting3D打印技术、固态电池设计与制造，以及先进制造工艺三大领域展开。
本篇文章，AM易道将针对Sakuu公司的专利细节进行总结分析。
专利筛选
Sakuu公司的专利很多，公开能查到的专利多达49项。
AM易道仅选取了所有申请了WIPO/PCT的专利进行分析。
具体专利列表以及专利号如下，共18项。
如有想获得此18项WO/PCT专利自己研读的读者，请私信AM易道获取。
总结下来，Sakuu的核心技术优势体现在四个关键方面：
首先是其多材料Binder Jetting的能力； 其次是其创新的固态电池结构设计大幅提升了能量密度和安全性； 第三，是集成了3D打印、原位激光处理和热处理的先进制造工艺系统，使复杂结构的大规模生产成为可能； 第四是基于人工智能的实时监控和质量控制系统，确保了产品的一致性和高良品率。
一：多材料Binder Jetting技术
Sakuu的多材料Binder Jetting技术是一种比较稀缺的3D打印方法，能在单一制造过程中精确沉积和结合多种材料。
这项技术源于传统的粉末床融合和喷墨打印，但通过一系列创新，大大扩展了其能力和应用范围。
根据专利WO2022212676A1，该技术主要应用于制造复杂的多材料结构，特别是高性能固态电池。该专利的发明人是上篇文章提到的CTO Philip Rogren。
它能够在微观尺度上精确控制材料的分布和属性，从而优化电池的性能和能量密度。
1. 多材料分配系统
Sakuu的多材料分配系统是其技术的核心。根据专利US11806937B2，该系统包括：
发明人依旧是CTO，此专利虽然是US专利，但也申请了WO专利。
a) 多个材料储存仓：
- 每个储存仓都配备了精密的温度和湿度控制系统，确保材料保持最佳状态。
- 系统包含多个材料供应单元，每个单元储存一种特定的打印材料。这些材料可以是不同种类的粉末，例如金属、陶瓷或聚合物。
- 每个材料供应单元通过独立的管道连接到打印头，确保材料供应的稳定性和纯净性。
- 使用惰性气体保护，防止材料氧化或吸湿。
b) 高精度分配头：
- 采用压电或热气泡技术的喷头，可以精确控制每滴材料的体积，最小可达1皮升。
- 喷头阵列排布，每个喷头可独立控制，实现复杂的多材料结构。
- 每个打印头专用于一种特定材料的喷射。
c) 精密定位系统：
- 使用光栅尺和伺服电机，XY平面定位精度达到±1μm。
- Z轴采用压电陶瓷驱动，分辨率可达10nm，实现超精细层控制。
更多技术细节，请读者自己查阅专利内容。
2. 材料切换机制
快速和精确的材料切换是Sakuu技术的另一关键创新。专利WO2023137487A1详细描述了这一机制：
a) 多喷头阵列设计：
- 每个喷头负责一种材料，避免了传统系统中的材料交叉污染问题。
- 喷头间距可调，适应不同尺寸的打印区域。
b) 快速切换阀门系统：
- 使用压电驱动的微型阀门。
- 阀门设计包含自清洁功能，每次切换后自动清除残留材料。
c) 材料隔离系统：
- 在不同材料的供给管路之间设置物理屏障。
- 使用正压惰性气体保护，防止材料在切换过程中被污染。（参照WO2023137491A1、WO2023137493A2）
d) 材料祛除的设备与方法
3. 打印路径优化
为实现复杂的多材料结构，Sakuu开发了先进的路径生成算法。根据专利WO2023200894A1：
- 实时计算最优打印路径，考虑热积累和材料应力。
- 根据实时监测数据，动态调整打印参数和路径。
这种算法不仅优化了打印速度，还确保了材料沉积的精确度和稳定性。
通过调整每层的打印顺序和材料切换点，算法能够确保每种材料在最佳条件下沉积，从而提高了打印结构的整体质量(WO2023137494A1)(WO2023137496A1)
4. Binder选择与应用
Sakuu的技术支持多种Binder系统。
Sakuu的系统能够根据当前使用的材料类型，自动调整和喷射相应的Binder。
专利（US11806937B2）详细描述了多种Binder分配装置，确保每种材料在打印时使用最适合其特性的Binder，从而提高打印质量。
系统通过实时检测和反馈控制，实现Binder和材料的最佳匹配，这一技术不仅提高了打印的可靠性，还扩展了可用材料的种类(WO2023137495A1)(WO2023287999A1)。
a) 多种Binder配方：
- 水基Binder：适用于陶瓷材料，挥发快，环境友好。
- 溶剂基Binder：适用于金属粉末，提供更高的绿色强度。
- UV固化型Binder：实现快速固化，适合精细结构。
b) 智能Binder配方调整：
- 基于材料特性和目标性能，实时调整Binder成分。
- 使用机器学习算法，预测最佳Binder配方。
c) 精确Binder喷射控制：
- 采用压电喷头，控制用量。
- 根据局部几何特征，动态调整Binder用量。
5. 热处理和烧结
热处理和烧结是Sakuu制造工艺的关键步骤。专利WO2023137495A1描述了一种创新的热处理系统：
a) 多区控温连续式烧结炉：
- 温度范围：室温-1600°C，控温精度±1°C。
- 采用6个独立控温区，可实现复杂的温度曲线。
b) 精确气氛控制：
- 使用质量流量控制器，精确调节O2、N2、Ar等气体比例。
- 氧分压控制范围：10^-20 - 0.21 atm，适应不同材料的烧结需求。
c) 激光辅助烧结：
- 集成了高功率光纤激光器（最高2kW），实现局部快速加热。
- 采用galvo扫描系统，可在复杂3D表面进行精确热处理。
d) 原位监测系统：
- 使用高温共焦显微镜，实时观察材料的烧结过程。
- 集成了质谱仪，监测烧结过程中的气体释放。
e) 反馈控制系统：
- 基于原位监测数据，实时调整温度曲线和气氛组成。
6. 实时监控与调整
为了确保打印过程的稳定性和最终产品的质量，Sakuu在Binder Jetting系统中内置了多种传感器，包括温度、湿度和位移传感器。
这些传感器实时监测打印环境和过程参数，专利（WO2023137493A2）中提到，这些数据被用于动态调整打印参数，确保打印过程的稳定性。
通过闭环反馈控制系统，系统能够根据传感器数据实时调整打印头的移动速度、材料喷射量和Binder喷射量，从而保证每一层的打印质量和一致性(WO2024138006A1)(WO2023200894A1)。
第二部分：固态电池技术
Sakuu的固态电池技术旨在解决传统锂离子电池面临的能量密度、安全性和成本等挑战。根据专利US10535900B2，这项技术的主要特点包括：
- 全固态结构，消除了液态电解质带来的安全隐患。
- 采用锂金属负极，理论上可将能量密度提高2-3倍。
- 3D打印制造工艺，实现复杂内部结构，进一步优化性能。
1. 电池结构
Sakuu的固态电池采用创新的多层结构设计。专利详细描述了电池单元结构：
a) 密封的阳极腔室：
- 使用陶瓷材料（如氧化锆）构建，实现对锂金属的完全封装。
- 内部设计多孔结构，增加锂金属与电解质的接触面积。
b) 固态电解质层：
- 采用LLZO（Li7La3Zr2O12）等高离子导电性陶瓷材料。
- 厚度可控制在10-50μm范围，平衡了离子传导和机械强度。
c) 多孔阴极结构：
- 使用3D打印技术，实现复杂的多孔结构设计。
- 孔隙率梯度设计，从电解质界面的30%逐渐增加到集流体界面的50%。
d) 集流体网络：
- 采用3D打印金属网络结构，提高电子传导效率。
- 与电极材料形成互穿网络结构，减少内阻。
e) 特殊密封技术：
- 使用激光熔覆技术在陶瓷外壳边缘形成气密封边。
f) 应力管理系统：
- 在电池外壳关键位置设计应力缓冲区。
- 使用复合材料打印技术，创建具有梯度弹性模量的结构，有效吸收和分散内部应力。
2. 材料选择
Sakuu在材料选择上进行了大量创新。根据专利WO2023287999A1和WO2023137493A2：
a) 固态电解质：
- 主要使用LLZO，掺杂Al、Ta等元素提高离子电导率。
- 开发了纳米复合电解质，结合陶瓷的高离子导电性和聚合物的柔韧性。
- 新型复合电解质材料包含纳米级陶瓷颗粒和离子导电聚合物基体，实现了高离子电导率（>10^-3 S/cm）和良好的机械柔韧性。
b) 阳极材料：
- 采用高纯度锂金属（99.99%）或锂-镁合金，提高循环稳定性。
- 开发了纳米结构化锂金属，增大比表面积，提高充放电效率。
c) 阴极材料：
- 使用高镍三元材料（如NCM811），提高能量密度。
- 开发了梯度功能阴极，优化离子和电子传输。
- 新型复合电极材料结合了高容量活性材料和纳米导电添加剂，提高了电极的电子和离子传导性能。
3. 制造工艺
Sakuu的制造工艺结合了3D打印和电池制造技术。专利WO2024138006A1描述了详细的制造步骤：
a) 多材料精准沉积：
- 使用Binder Jetting技术，层厚可控制在5-100μm范围。
- 实现单层多材料打印，电解质和电极材料可在同一层内共存。
b) 多阶段热处理：
- 脱脂阶段：200-400°C，缓慢升温去除有机Binder。
- 预烧结：800-1000°C，形成初步的陶瓷骨架。
- 最终烧结：1200-1500°C，在控制气氛下完成致密化。
c) 电化学活化：
- 开发了特殊的首次充放电程序，形成稳定的SEI膜。
- 采用脉冲充电技术，抑制锂枝晶生长。
- 使用电化学阻抗谱（EIS）实时监测电池内部状态，优化活化过程。
写在最后
Sakuu公司通过整合多材料Binder Jetting3D打印技术、创新的固态电池设计和先进制造工艺，展现了在下一代能源存储解决方案领域的巨大潜力。
AM易道需要声明的是，由于专利文件数量众多，AM易道团队难以完整深度分析，此文对于其专利的总结和归纳有可能出现错误。
对其技术有兴趣的读者请自行深度研读其专利族群有关文件。
其技术优势主要体现在：
1. 多材料BJ的精确控制：
Sakuu的技术能够在微米尺度上精确控制多种材料的三维分布。这种能力使得电池内部结构的优化成为可能，如创建功能梯度材料、优化离子传输路径等。
根据专利其多材料分配系统可以在单层内实现多种不同材料的精确沉积，并能创建连续变化的材料组分。
这远超传统电池制造技术的能力，为电池性能的突破提供了新的可能性。
2. 固态电池性能提升：
通过创新的电池设计和材料选择，Sakuu的固态电池技术有望大幅提高能量密度和安全性。
专利描述的电池结构，通过精心设计的多孔阳极腔室、梯度阴极结构和特殊的密封技术，理论上可以将能量密度提高到传统锂离子电池的2-3倍。
同时，全固态设计和先进的应力管理系统从根本上提高了电池的安全性和长期稳定性。
本文详细介绍了Sakuu公司在3D打印固态电池领域的创新技术。
Sakuu通过整合多材料Binder Jetting技术、突破性的固态电池设计和先进制造工艺，展现了在下一代能源存储解决方案领域的巨大潜力。
在接下来的系列文章中，我们将聚焦另一家在3D打印固态电池领域有重要突破的公司—Blackstone Technology。
在之后的系列文章中，我们将深入探讨Blackstone的企业发展与技术积累。敬请期待！
（正文内容结束）
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