3Dプリントナノセルロースによる高性能リチウム金属マイクロ電池の製造

3Dプリントナノセルロースによる高性能リチウム金属マイクロ電池の製造
寄稿者: Li Jian、Lu Zhongliang

3D プリント技術によるバッテリー製造には、製品の小型化、自律成形、マクロおよびミクロ構造の制御など、独自の利点があります。しかし、金属リチウムの印刷は難しいため、3Dプリントされたリチウム金属電池(LMB)はまだ開発に成功していません。

米国ノースウェスタン大学の曹博士のチームは、図1に示すように、地球上で最も豊富なバイオポリマーの1つであるセルロースナノファイバー(CNF)を使用した3Dプリント技術によって、高性能リチウム金属マイクロバッテリー(LMB)を初めて製造しました。 CNF 水溶液は、天然のユニークなせん断減粘特性を備えており、3D 印刷インクの理想的な候補材料です。まず、CNF が水に溶解すると、各セルロース分子上の豊富なヒドロキシル基 (繰り返し単位あたり 6 個) が個々の繊維間および水分子との間に強力な水素結合を形成します。この強力な水素結合により、高い保水性(最大 98%)が実現し、インクに独特の粘弾性特性が与えられます。また、CNF は負のゼータ電位が非常に高い(≈60mv)ため、界面活性剤として機能し、水溶液中の他の物質の分散を助けます。これら 2 つの特性により、CNF は他の材料の印刷特性を最適化するための粘度増強剤として使用できます。さらに、ナノセルロースはヤング率が約145~150GPaと高く、足場材料として使用される水を除去した後も構造の完全性を維持するのに役立ちます。

図 1 リチウムイオン スキャフォールドのセルロース ナノファイバー印刷の模式図。CNF ゲルのユニークなせん断減粘特性により、LiFePO4 電極と安定したリチウムイオン埋め込みスキャフォールドの印刷が可能になります。研究チームは、図 2 に示すように、CNF ゲルの印刷性能も研究しました。さらに、CNFスキャフォールドの多孔質構造は、イオンのアクセス性を向上させ、リチウムアノードの局所的な電流密度を低減するのにも役立つため、リチウムイオンの不均一な挿入/抽出によって発生するデンドライトも抑制されます。研究チームは第一原理密度汎関数理論とフェーズフィールドモデルを組み合わせてマルチスケール計算を実行し、多孔質構造ではリチウムの堆積がより均一になることを示しました。その結果、3DプリントされたリチウムアノードとLiFePO4カソードを使用して構築されたフルセルは、10Cの充放電レートで80mAh g−1の高容量を示し、3000サイクル後でも85%の容量保持率を示しました。



図2 3Dプリントされたセルロースナノファイバーフレームワーク 参考文献:
Cao D、Xing Y、Tantratian K、他「ナノセルロースによる3Dプリント高性能リチウム金属マイクロ電池[J]」Advanced Materials、2019年。

寄稿者: Li Jian、Lu Zhongliang 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

生物学

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