3D プリントされたバッテリーは、モバイル電子機器の最適化された設計にどのような可能性をもたらすのでしょうか?

出典: Mohou.com

エネルギー貯蔵は携帯電子機器にとって不可欠な要素です。携帯電子機器が小型化、高性能化するにつれ、携帯電子機器用バッテリーの需要も高まっています。現在、モバイル電子機器メーカーは、市販のバッテリーのサイズと形状に基づいてデバイスを設計する必要がありますが、そのほとんどは円筒形または長方形です。これらのバッテリーは現代の電子機器のスペースの大部分を占めており、モバイル電子機器の設計の自由度を制限しています。特に次世代のフレキシブル電子機器では、バッテリーの制限が設計上の問題になっています。

バッテリー製造における3Dプリント技術の応用により、この問題が解決され、「任意の」形状のバッテリーやスーパーキャパシタを生産できるようになると期待されています。それだけでなく、3D プリント技術の応用により、バッテリーの電気化学的性能も向上します。学術誌「Advanced Functional Materials」のレビュー記事「Additive Manufacturing of Batteries」では、さまざまな種類の 3D 印刷技術によって可能になったバッテリーの概要を示し、3D 印刷バッテリーの産業応用に残された課題について説明しています。

電解質材料印刷されたバッテリー技術、電極、電解質材料出典: Wiley-VCH Verlag & nanowerk。
モバイル電子機器の設計の自由度を解放する<br /> この論文では、各 3D 印刷方法の動作原理、印刷プロセス、利点と制限について説明し、印刷されたバッテリー電極と電解質の印刷材料に焦点を当てています。

バッテリー製造用の主な 3D 印刷技術には、ステレオリソグラフィー (SLA)、テンプレート支援電気めっきベース 3D 印刷 (TAE)、インクジェット印刷 (IJP)、直接インク書き込み (DIW)、熱溶解積層法 (FDM)、エアロゾルジェット印刷 (AJP) などがあります。材料には、印刷電極材料のグラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、LTO/LFP、および電解質材料が含まれます。

3D プリンティングは、相変化材料と反応性材料、および溶剤ベースのインクをデジタル制御で堆積させることにより、複雑な 3D オブジェクトを製造する高度な製造技術です。

Nanowerk 3D プリントマイクロバッテリー 3D プリントされた電極が交互に積み重ねられ、砂粒サイズの陽極と陰極が作成されます。出典: nanowerk
バッテリー製造の面では、3D プリンティングは従来のバッテリー製造技術に比べていくつかの大きな利点があります。
1) 要求される複雑なアーキテクチャを製造する能力。
2) 電極の形状と厚さを正確に制御します。
3) 安定した構造と安全な操作を備えた固体電解質の印刷。
4) 低コスト、環境に優しく、操作が簡単になる可能性があります。
5) バッテリーとその他の電子機器を直接統合することで、デバイスの組み立てとパッケージングの手順を排除できる可能性があります。

これらの利点は、将来のバッテリー設計にとって重要です。3D プリントにより、表面積が大きく表面負荷密度が高い新しい 3D アーキテクチャ電極を製造できるため、拡散経路が短くなり、イオン輸送時の抵抗が低くなり、バッテリーのエネルギー密度と電力密度が向上します。さらに、記事では、積層造形の使用により、3D プリントは材料の無駄を大幅に削減し、生産をスピードアップできると示唆しています。全体として、3D プリンティングは、複雑な構造と高性能を備えた 3D 構造バッテリーを迅速に製造する新しい方法を提供します。

準備条件、材料、プロセス間の互換性を考慮すると、すべての 3D 印刷技術と現在のバッテリー材料が印刷バッテリーの製造に適しているわけではありません。この論文では、印刷バッテリー用のさまざまな 3D 印刷技術を定性的に比較しています (以下を参照)。

印刷材料さまざまなバッテリー 3D 印刷技術の比較出典: Wiley-VCH Verlag & nanowerk
現在、3D プリントバッテリーで最も一般的に使用されているアノードおよびカソード材料は、チタン酸リチウム (LTO) とリン酸鉄リチウム (LFP) であり、体積膨張が最小限で、レート性能が高く、安定性と安全性に優れています。カーボンナノ材料は、3D プリントバッテリーに使用される電極材料として有望なもう 1 つの材料グループです。還元酸化グラフェンとグラフェンは、超高速スーパーキャパシタの 3D プリントに使用されています。カーボンナノチューブとカーボンナノファイバーは、高い機械的強度、高い化学的安定性、大きな比表面積、優れた電気的特性と熱的特性を備えているため、印刷インク材料としても非常に人気があります。

この論文では電解質材料についても議論されています。電極の次に、電解質はバッテリーの最も重要なコンポーネントです。電解質は、充電時に陰極から陽極へのイオンの移動を促進し、放電時にその逆のイオンの移動を促進することで、バッテリーの導電性を高める触媒として機能します。電解質は、バッテリーの電気化学的性能、サイクル寿命、安全性において決定的な役割を果たします。 3Dプリント技術の継続的な発展により、バッテリーの電解質も直接印刷できるようになり、製造プロセス、製造時間、製造コストが削減されます。

この論文では、3D プリントバッテリー技術の産業応用において直面する課題についても説明しています。 3D プリントバッテリーの開発は大きく進歩しましたが、広範な商業目的で使用できるようになるまでには、解決すべき課題がまだ多く残っています。たとえば、現在、印刷可能な材料、特に 3D プリントバッテリーとして使用できる活物質インクはごくわずかです。同様に、3Dプリントバッテリーに関する現在の研究のほとんどは電極と電解質の材料に焦点を当てており、バッテリーの重要なコンポーネントである集電体の3Dプリント製造に関する研究を行った人はほとんどいません。さらに、バッテリーが完全に 3D プリント技術によって製造される場合、印刷された各コンポーネント間の互換性に大きな課題があります。

この記事の冒頭で述べたように、現在のバッテリー技術はモバイル電子機器の設計の自由度を制限しており、3D プリント技術の応用により、バッテリーの形状の制約を打ち破り、電子機器の設計に新たな可能性がもたらされます。 3D プリントバッテリー技術の進歩とブレークスルーにより、小型のモバイル電子機器やポータブルウェアラブルデバイスの設計の反復が促進される可能性があります。

セラミックス深セン大学付加製造研究所 3D プリントリチウム電池電極研究出典: 深セン大学陳章偉教授 @TCT 深セン展示会フォーラム Mohou.com の市場観察によると、中国の研究機関も 3D プリントバッテリー技術の応用研究を行っています。例えば、深セン大学の付加製造研究では、低温直接書き込み3Dプリントを使用したリチウム電池電極の製造を研究してきました。3DプリントされたLiFePO4正極とLi4Ti5O12負極は、将来、補聴器、電子ブレスレットなどの端末に使用できます。

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