中国地質大学 | 3Dプリントエネルギー貯蔵材料とデバイスのインターフェースエンジニアリング

出典：学術覚書第一著者：白佳軒中国地質大学連絡先著者：田暁聰（中国地質大学）、戴志高（中国地質大学）、周坤（南洋理工大学）
著者所属: 中国地質大学 (中国)、南洋理工大学 (シンガポール)

近年、3D プリントされたエネルギー貯蔵材料およびデバイス (3DP-ESMD) は、先進エネルギーの分野における新興の最先端の研究分野となっています。満足のいく電気化学的性能を実現するために、エネルギー貯蔵インターフェースは、急成長している ESMD ベースの 3D プリンティングにおいて決定的な役割を果たします。したがって、理想的な 3DP-ESMD を実現するには、効果的なインターフェースエンジニアリングルートを開発することが重要です。このレビューでは、3DP-ESMD のインターフェースエンジニアリングにおける最近の進歩を包括的に紹介し、詳細な議論を提供します。まず、基本的なインターフェースエンジニアリングの原則を紹介します。次に、3D プリントによる構造設計、組成の変更、保護層の設計、3D プリントされたデバイスの最適化などの主要なインターフェースエンジニアリング戦略を要約して詳しく説明し、重要なインターフェースエンジニアリング戦略によって可能になった 3D プリントされた充電式バッテリーと電気化学コンデンサに関する先駆的な研究についても説明します。最後に、3DP-ESMD におけるインターフェースエンジニアリング手法の将来展望を提案します。

電気化学エネルギー貯蔵デバイス (EESD) は、携帯型個人用電子機器、電気自動車、大規模電力網の不可欠なコンポーネントとなっています。充電式バッテリーと電気化学コンデンサは、高いエネルギー/電力密度、中程度の動作電圧、長寿命、手頃な価格、優れた環境への配慮を備えた、有望で高度な電気化学エネルギー貯蔵デバイスとして広く認識されています。 EESD は、電極 (通常、活性材料、導電性添加剤、ポリマーバインダーで構成されるカソードとアノードなど)、電解質、セパレーター、集電体、パッケージ部品など、いくつかの基本コンポーネントで構成されています。これらのコンポーネントの固有の特性によって、デバイスの電気化学的動作が直接決定されます。優れた電気化学性能と幅広い用途を持つEESDを実現するために、数多くの材料が合成・開発されてきました。高度な製造技術は、優れたエネルギー貯蔵材料およびデバイス (ESMD) の開発において重要な要素であることがわかっています。

3D プリンティングは、積層造形とも呼ばれ、原料を層ごとに堆積させて 3 次元構造のプロトタイプを作成する革新的な製造技術として登場しました。各堆積層のプログラム可能なパターンは、コンピュータ支援設計を通じてデジタル的に設計できます。この高度な製造技術は、工業デザイン、エレクトロニクス、フォトニクス、建築、航空宇宙、医療、エネルギーなど、さまざまな応用分野で新たな機会を生み出します。 3D プリント技術を使用することで、優れた幾何学的制御性とデジタル制御された 3 次元構造を備えたいくつかの電気化学エネルギー貯蔵コンポーネントが開発され、物理的および化学的特性を都合よく最適化して、優れたエネルギー貯蔵動作を実現できます。さらに、完全な EESD の直接 3D プリントも可能であり、実際のエネルギー関連のアプリケーション例において大きな可能性を示しています。

過去数十年にわたり、3D プリント技術は急速に発展し、エネルギー貯蔵アプリケーションのための幅広く高度な製造プラットフォームを確立するために、いくつかの 3D プリント技術と材料が開発されてきました。一般的に、3D プリンティングは、ステレオリソグラフィー (ステレオリソグラフィーやデジタル光処理など)、材料押し出し (直接インク書き込み (DIW) や熱溶解積層法など)、粉末床溶融結合 (選択的レーザー焼結、マルチジェット融合、選択的レーザー溶融、電子ビーム溶融など)、材料噴射、バインダー噴射、指向性エネルギー堆積、ラミネーションなど、いくつかの主要なカテゴリに分類できます。材料の押し出しは、材料の選択肢が広く、コストが低く、操作が簡単なため、エネルギー貯蔵の分野で広く使用されており、最も用途が広く多機能なツールの 1 つと考えられています。他の 3D 印刷技術には、ナノスケールの印刷精度など、説得力のある機能があることは注目に値します。最近では、進行中の技術革新（例えば、極低温環境印刷、同心円印刷、マルチノズル印刷）も、3D プリントされた ESMD の構造/特性を調整したり、製造プロセスを最適化したりするための効果的な手段であることが実証されています。 3D プリントの前後で材料を適切に調整することで、エネルギー貯蔵容量をさらに向上させることもできます。無機、有機、複合ナノ構造システムは、代表的な有望な 3D プリント候補材料であり、高度なエネルギー貯蔵の分野に優れた特性を提供し、機能的な 3D プリントの分野を補完します。

現在、3Dプリントされたバッテリーや電気化学コンデンサ（スーパーキャパシタ）の部品やデバイスの構築が広く行われています。しかし、エネルギー貯蔵コンポーネント間の固有のインターフェースと各コンポーネント内の対応するインターフェースは見落とされがちですが、これは 3DP-ESMD の電荷キャリアのダイナミクスと熱力学に大きな影響を与えます。さまざまな応用分野において、インターフェースエンジニアリングは広く研究され、インターフェースの問題を克服するための理想的な戦略として考えられてきました。エネルギー貯蔵の 3D プリントでは、電荷貯蔵メカニズムを明らかにし、最先端の 3DP-ESMD の開発を進めることもできます。効率的なエネルギー貯蔵を実現するには、界面（電極と電解質の界面など）のイオンインピーダンスを可能な限り超低レベルにまで低減する必要があり、これは固体 EESD にとって非常に重要です。界面効果は、将来の革新的な 3DP-ESMD の開発において重要な役割を果たします。

このレビューでは、主要なインターフェース要因を要約し、構造設計、コンポーネントの変更、保護層の設計、3D プリントによって可能になる 3D プリントデバイスの最適化など、選択されたインターフェースエンジニアリング戦略に焦点を当てることで、3DP-ESMD のインターフェースエンジニアリングの進歩について詳細に紹介することを目的としています (下図を参照)。合理的なインターフェースエンジニアリング戦略によって作成された 3D プリント充電式バッテリーと電気化学コンデンサの最近の進歩についても包括的に説明します。さらに、本稿では、研究の現状、残された研究課題、将来の展望についても論じます。

将来の開発電気化学エネルギー貯蔵の分野における 3D 印刷技術の応用が拡大し続けるにつれて、望ましい性能を達成するにはいくつかの重要な要素を考慮する必要があります。界面要素は極めて重要であり、全体的な電気化学的性能を大きく左右すると考えられています。このレビューでは、重要なインターフェースエンジニアリング戦略と最近の進歩について包括的に要約し、説明します。これまでの先駆的な研究により、高度な 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスにおけるさまざまなインターフェースエンジニアリング戦略の重要性と効率性が明確に実証されています。 3DP-ESMD の界面電気化学特性を改善するために、界面電荷キャリア輸送の強化、可逆的な界面反応、良好な界面接触、その他の最適化された固有界面特性など、いくつかの主要な戦略が提案されており、電気化学的挙動の大幅な改善につながります。ただし、3DP-ESMD の界面研究はまだ初期段階にあり、この分野の発展を促進するためにさらなる刺激的な研究が期待されることは注目に値します。

まず、3DP-ESMD のインターフェースを強化し、同時に全体的な電気化学的性能を向上させる合理的なインターフェースエンジニアリング戦略が実証されており、これは高度な実験設計と計算設計の両方によるさらなる注目と分析に値します。インターフェースを最適化することで、高い安全性、高い静電容量、優れたレート性能、長寿命などの優れた電気化学的エネルギー貯蔵パラメータを継続的に達成でき、3DP-ESMDの大幅な発展を促進します。したがって、電気化学的性能の向上の観点から、将来の界面工学研究は実用化にとって依然として重要です。理想的な構造の 3D プリント EESD (構造用バッテリーなど) を開発するには、機械的な強化も注目に値することは注目に値します。

第二に、次世代 3DP-ESMD の開発においては、電気化学エネルギー貯蔵における 3D プリントの独自のデジタル利点に注意を払う必要があります。現在のインターフェースエンジニアリングの研究は主に 3D プリントされていない ESMD に焦点を当てており、3D プリントによるデジタル製造の潜在的な利点が制限されています。この分野を探求することで、調整可能な微細構造、カスタマイズされた形状、さらにはオンデマンドのエネルギー貯蔵/出力など、新たな機会と課題がもたらされ、エネルギー分野に革命をもたらし、有意義な進歩を加速させる可能性があります。

第三に、充放電サイクル中の 3DP-ESMD のインターフェースの主要な電気化学情報と変化を完全に理解するには、高度な特性評価技術が必要です。 ESMD の基本的な原理、例えば界面ダイナミクス、物理化学、反応性、安定性を理解するには、基礎となる電気化学プロセスを深く理解することが重要です。これらの洞察は、研究者が新しい 3DP-ESMD を開発し、その電気化学的性能をさらに向上させるための指針となります。将来的には、より高度な特性評価技術、特にその場での操作方法や、3D プリントによって可能になるデジタル手法が緊急に必要になります。

最後に、新しいエネルギー関連の特性を多機能エネルギーシステムに組み込むことは、最先端の研究方向であると考えられています。総合的な設計と統合を実現するには、さまざまな機能コンポーネント間のインターフェースを適切に最適化する必要があります。適切なインターフェースエンジニアリング戦略は、互換性があり安定したインターフェースに貢献し、新しいエネルギー統合システムにつながります。さらに重要なのは、3D プリンティングは、将来的にデジタル設計で最適化されたインターフェースを備えた最先端の 3DP-ESMD の継続的な成長を保証する優れた製造プラットフォームを提供することです。

記事リンク: https://doi.org/10.1002/aenm.202303035

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