グラフェンと3Dプリントがリチウムイオン電池業界にもたらす破壊的変化

グラフェンと3Dプリントの概念は誰もがよく知っていますが、特に少し前、ファーウェイのグラフェン電池事件がグラフェンを世間の注目の的にした時、グラフェンは世間の注目を集めました。事件の関係者は事実を明らかにし、各メディアはファーウェイのグラフェンについて解釈しようと全力を尽くしましたが、それでも膨大な数の傍観者がファーウェイのグラフェン電池について語り、コメントすることを妨げることはできませんでした。一時期、ファーウェイは大衆から中国企業のイノベーションのモデル、技術の先駆者とみなされ、脚光を浴びていました。近年、3Dプリント技術も急速に発展しています。従来のプラスチック材料だけでなく、一部の金属材料も印刷できます。応用分野も民生分野から産業分野、航空分野へと拡大しています。3Dプリント技術は、一部の航空機エンジンの製造で複雑な形状の部品の製造に使用されており、製品の歩留まりが大幅に向上し、加工の難易度が軽減されています。以前、Antarctic Bearは、オーストラリアのスウィンバーン工科大学が、数秒でフル充電できる超大容量の3Dプリントグラフェンスーパーバッテリーを開発したと記事で報じました。

では、これら 2 つのハイエンド技術をリチウムイオン電池に適用すると、どのような破壊的な影響が生じるのでしょうか?厳密に言えば、リチウムイオン電池の電極コーティングは、電極コーティングプロセスでは厚さを制御できますが、形状を制御できないため、一種の「2.5D印刷技術」です。コーティングマシン全体が、実際には巨大なプリンターです。 3D プリント技術の急速な発展により、これまで実現不可能だった多くのアイデアが現実のものとなりました。リチウムイオン電池が必要になったとき、インターネットから設計図をダウンロードし、3D プリンターにインポートするだけで、完成したリチウムイオン電池を直接入手できると想像してみてください。すばらしいと思いませんか?

最近、メリーランド大学カレッジパーク校のクン・フー氏らがこの美しい願いに翼を与え、夢から現実へと羽ばたかせました。クンフーは、実用的な3Dプリント技術を使用して製造された全固体リチウムイオン電池を設計しました。電池のサイズは7×3mmで、正極と負極の重量はそれぞれ3.8mgと3.9mgです。電解質にはポリマー全固体電解質を使用しています。 3Dプリントで最も重要なものは、当然ながらインクです。リチウムイオン電池をプリントするためのインクは、正極、負極、電解質です。Kun Fuは、正極と負極をプリントするためのインクとして、水と高濃度の酸化グラフェンGO、正極と負極の活物質を使用し、電解質にはポリマー電解質を使用しています。酸化グラフェン GO を追加すると、電極の導電性が大幅に向上し、3D プリントバッテリーの性能が向上します。水溶液システムはより環境に優しく、より安全で、より安価です。

クン・フーが設計したバッテリーは、正極と負極にそれぞれリン酸鉄リチウム（LFP）とチタン酸リチウム（LTO）を使用しています。印刷プロセスは、まずノズルからフィラメントを噴射し、設定されたプログラムに従って基板上に層ごとに広げます。次に、凍結乾燥を使用して水分を除去し、構造を固めます。熱処理後、酸化グラフェン（GO）は還元グラフェンに変換されます。最後に、ポリマー電解質を正極と負極の隙間に充填して、3Dプリントバッテリーの製造が完了します。電極内では、せん断力の影響により、酸化グラフェン GO が規則的な配列を示し、電子伝導性が向上します。また、酸化グラフェン GO の多孔質構造により、LFO または LTO と電解質の接着ポイントが多数提供されます。

もちろん、3D 印刷に使用されるインクにとって、レオロジー特性は印刷効果に直接影響する最も重要な属性です。GO、LFP/GO、および LTO/GO システムに関する研究では、3 つのレオロジー曲線はほぼ同じであることがわかりました。これは、LFO と LTO がスラリーのレオロジー特性にほとんど影響を与えないことを示しています。スラリーの見かけ粘度は非常に高く、せん断速度 1/s ではスラリーの粘度は 100 ～ 1000Pa となり、複雑な構造の印刷や設計に適しています。保管実験では、4 週間にわたってスラリーの粘度はわずかにしか増加せず、スラリーは依然としてせん断減粘性を維持し、見かけの粘度は 100 ～ 1000 Pa の範囲に留まることが示されており、3D プリントに使用されるインクは保管特性が良好であることが示されています。

もちろん、リチウムイオン電池にとって最も重要なのは電気化学的性能です。電気化学試験によると、電流密度 10 mA/g での LFO/GO ハーフセルの充電容量と放電容量はそれぞれ 168 mAh/g と 164 mAh/g に達し、これは LFP の理論上の比容量 170 mAh/g に非常に近い値です。電流密度 10 mA/g での LTO/GO ハーフセルの充電容量と放電容量はそれぞれ 184 mAh/g と 185 mAh/g に達し、これは LTO の理論上の比容量 175 mAh/g よりもさらに高く、これは還元酸化グラフェンの寄与であると考えられます。レート性能試験では、LTO 負極のレート性能が LFP 正極よりも大幅に低いことが判明しました。これは主に 2 つの理由によるものです。まず、LTO の電子伝導性が LFP 材料よりも低い (6.1 および 31.6S/cm)。次に、LTO 粒子が LFP よりも大幅に大きい (200 および 50nm) ため、Li+ の拡散と電荷交換に影響します。

アンタークティックベアは、3Dプリント技術の最大の利点は、ニーズに応じて特殊な形状のバッテリーをカスタマイズできることだと考えています。たとえば、一部のマイクロロボット分野では、従来のリチウムイオン電池技術ではマイクロで特殊な形状のリチウムイオン電池を生産できませんが、3Dプリント技術にはこの問題がなく、リチウムイオン電池の応用分野を大幅に拡大できます。

出典: ニュー・エナジー・リーダー
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