スーパーキャパシタを製造するためのMXeneインクと3Dプリント技術

出典: 3Dサイエンスバレー

国立グラフェン研究所とマンチェスター大学材料学部の研究チームは、導電性インクとエネルギー貯蔵装置の3Dプリントの分野で研究を実施しました。彼らは3Dプリント技術とMXene材料を使用して、スーパーキャパシタなどのエネルギー貯蔵装置に使用できる櫛型電極を製造しました。

マンチェスター大学では、このアプリケーションを比喩的に「2D 材料の 3D 製造を可能にする」と呼んでいます。

sem3D プリント MXene 材料、出典: マンチェスター大学
優れた導電性と小型化を実現<br /> 印刷インクが2D材料と呼ばれる理由は、MXeneがグラフェンに似た2次元層状材料であるためです。これは金属炭化物と金属窒化物の材料です。MXene材料は乾燥時に高い導電性と親水性を示すため、水性懸濁液やインクに分散しやすいです。

マンチェスター大学は、世界初の二次元材料であるグラフェンの発祥の地です。グラフェンは銅よりも導電性が高く、鋼鉄よりも強度、柔軟性、透明性に優れています。グラフェンの誕生は、他の二次元材料の探究への扉を開きました。

2D 材料にはそれぞれ異なる特性があり、特定の用途で 2D 材料の特性を引き出すには、製造方法と材料配合が特に重要です。研究チームは、多数のMXene薄片が数原子の厚さを覆うことができ、水を使用して特定の粘弾性挙動を持つ印刷可能なインクを配合し、3D印刷技術を通じて20層を超える自立型構造を製造できることを実証したと述べた。

研究チームは、学術誌「Advanced Materials」に掲載された論文で、MXene 3Dプリントインク材料が、横方向のサイズが約8μmで理想的な粘弾性を持つ、原子レベルの薄さ（1～3nm）の2次元金属炭化物（Ti3C2Tx）で構成されていることを示しました。

この材料は、材料押し出しプロセスに基づく 3D 印刷装置を使用して、コレクターフリースーパーキャパシタなどの高表面積エネルギー貯蔵デバイスを製造するために使用できます。従来のコンデンサと比較すると、スーパーコンデンサは、より少ないエネルギーで大きな電力を生成でき、優れた導電性を持ち、サイズも小型です。

スーパーキャパシタなどのエネルギー貯蔵装置の性能向上には、革新的な材料とスケーラブルな製造方法がますます重要になっています。マンチェスター大学の研究チームは、MXene インクとその 3D 印刷技術によってエネルギー貯蔵装置の製造の機会が広がり、通常は複雑な 3D アーキテクチャを必要とし、従来の製造技術では実現が難しい装置の製造が可能になると考えています。エネルギー貯蔵装置の潜在的な用途としては、電気自動車、携帯電話、その他の電子機器などが挙げられます。

マンチェスター大学の研究チームが説明しているように、MXene 材料はエネルギー貯蔵デバイスの分野での応用が期待されています。これらの応用が産業化できるかどうかの鍵は、MXeneインク材料の研究開発が、量産化しやすいソリューションを提供できるかどうかにあります。この点では、MXene材料を最初に開発した米国のドレクセル大学も関連研究を行っています。

米ドレクセル大学のMXene素材の発明者であるユーリ・ゴゴツィ教授らは、アイルランドのトリニティ・カレッジ・ダブリンの研究チームと共同で、直接書き込み印刷技術用の無添加MXeneインクを報告した。研究者らは、水溶媒と有機溶媒の2つのシステムに基づいて、押し出し印刷とインクジェット印刷という2つの印刷方法を試し、その実現可能性を検証しました。同時に、印刷マイクロコンデンサ (MSC) は、高い面積比容量と高い体積比容量を示しました。このインクは応用範囲が広く、抵抗器の印刷や準備などの分野にまで拡張できるため、この MXene インクの優れた応用見通しが示されています。

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