深セン大学で初のバッテリー3Dプリントカンファレンスが成功裏に開催され、大きな注目を集めた

2023年7月15日、深セン大学で第1回バッテリー3Dプリント会議が開催されました。このセミナーは、南極熊3Dプリントネットワークと深セン大学付加製造研究所が共同で主催したもので、多くの専門家の注目を集めました。全国各地から3Dプリント、大学、新エネルギー、投資などの分野から100名を超えるゲストがその場に集まり、リラックスした有益な交流が行われました。これは中国で初めての公開バッテリー3Dプリント交換イベントです。
電気自動車、民生用電子機器、産業用エネルギー貯蔵、モバイル機器、スマートウェアラブルなどの分野の活発な発展に伴い、新エネルギー電池の電池寿命、急速充電、寿命、安全性に対する要求はますます高まっています。「薄電極コーティング＋積層・巻き取り」を核とした電池構成は、現在、新エネルギー電池の主流の技術ルートです。しかし、リチウムイオンの拡散速度の制限により、既存の電池構成では、集電体に塗布された活物質の厚さは100μmを超えず、この「エネルギー密度と電力密度の矛盾」が電池性能を左右する重要な要因となっています。 3D プリント技術の発展により、3D プリントはバッテリー構造の革新、形状/サイズのカスタマイズ、バッテリーの柔軟性を可能にし、新エネルギーバッテリーの開発に新たな機会と可能性をもたらします。
△自動車バッテリー3Dプリント製作工場（写真提供：ブラックストーン） △3Dプリント固体電池（写真提供：ブラックストーン）

国内の新エネルギー産業の急速な発展に伴い、BYDやCATLなどの世界クラスのバッテリーリーダーが台頭し、「塗布型薄電極＋積層・巻き取り」構成を基本に、バッテリー構造の革新を進め、「ブレードバッテリー」や「キリンバッテリー」など業界をリードするバッテリー技術を開発しました。しかし、中国は新エネルギー電池の3Dプリントの分野ではまだ初期段階にあり、大規模量産の見込みがある電池3Dプリント技術やそれに対応する電池製品は存在しない。

3D プリント技術を使用して新エネルギーバッテリーを製造する独自の利点は何ですか?技術的な問題は何ですか?実際のバッテリーの大量生産にはどのような技術的プロセスが適応できるのでしょうか?

△会議の主催者は、南極熊3Dプリントネットワークの編集長、李海雄氏です。

主催者はこの会議の起源について次のように紹介しました。
「最近、深セン大学付加製造研究所の先生方と話をしたのですが、偶然、10年来の知り合いである深セン大学の劉昌勇准教授が3Dプリントバッテリーについて多くの研究を行い、多くの論文を発表していることを知りました。彼は、この分野で最も多くの論文を発表している中国人の学者の一人です。
私たち Antarctic Bear は、バッテリー 3D プリントの技術的応用の進歩に注目していますが、中国ではそれを行っている人が少ないため、議論し、アイデアを交換し、友人を作るための会議を開始できますか?これは、この分野の開発プロセスを促進するのに役立つ可能性があります。
私たち Antarctic Bear が深圳大学付加製造研究所と本日のイベントを企画したのは、まさにそんな単純な衝動からでした。
今日来た友人の多くは皆、「バッテリーを 3D プリントするにはどうしたらいいのだろう?」という疑問を抱き、衝動的に参加を申し込んだのではないかと思います。ここにいる友人たちは主に3Dプリント、投資機関、新エネルギー電池などの分野に従事しています。
本日のゲストスピーカーには、深セン大学付加製造研究所所長の陳章偉教授、深セン大学准教授の劉昌勇氏、清華大学深セン国際大学院准教授の曹一丹氏、高能数字製造の共同創設者兼CTOの楊康氏が含まれます。当初はバッテリーメーカーの3Dプリント部門の責任者を招待する予定でしたが、技術上の機密性の問題で、ステージ上でスピーチを行うことが認められませんでした。 ”

△深圳大学付加製造研究所所長・教授陳張偉氏

主にセラミック3Dプリントの研究を行っている深セン大学付加製造研究所所長兼教授の陳章偉氏が同会議で講演した。

3Dプリントリチウムイオン電池の現状と今後の動向

△深圳大学准教授劉昌勇

深セン大学の劉昌勇准教授は、「3Dプリントリチウムイオン電池の現在の開発状況と将来の動向」について報告しました。スピーチからの抜粋:

劉昌勇は、
「3Dプリンティングは次のような方法でバッテリー製造を可能にします。

3Dプリントにより電極構造/電池構成の革新が可能に
3Dプリントはバッテリープロトタイプの迅速な開発を促進する
3Dプリントによるパーソナライズ/特殊形状バッテリーの迅速な製造
スマートウェアラブル向け 3D プリントフレキシブルバッテリー製造
3Dプリントにより構造/バッテリー/回路表面のコンフォーマル設計が可能に

「スペースを最大限に活用したいなら、特別な形状のパーソナライズされたバッテリーを作る必要があります。そのようなバッテリーを素早く作ることができれば、製品は最大限のエネルギーを得ることができ、耐久性も向上します。形状、構造、サイズをカスタマイズできるバッテリーを作る必要があります。そのためには、3D プリントをどのように活用すればよいでしょうか。これは、積層造形を行っている友人が検討できるものでもあります。」

「多くの軍事製品、特に航空機には、前面にレーダーアンテナカバーが付いています。構造部品、回路、アンテナなど、さまざまなものを曲面上に統合する必要があります。このような構造バッテリー回路を曲面に完全に適合するように設計できれば、大きな可能性を秘めた技術になります。もちろん、これは解決が難しいです。この問題については以前にも考えましたが、良い解決策はありません。」

「Bluetooth ヘッドセットの内部空間は不規則であり、不規則な表面で最高の充填効率を持つバッテリーを製造できれば非常に価値があります。」

「3Dプリントバッテリーはプロトタイプの検証に使用され、その後、従来のプロセスが依然として大量生産に使用されています。大量生産になると、製造上の問題が発生します。実際、現在の3Dプリントバッテリーは、従来の製造プロセスに存在する問題を反映できません。新しいタイプのバッテリーを開発する場合、既存の製造上の問題を依然として解決する必要があります。これが、メーカーが3Dプリント技術を使用してバッテリーを製造することを妨げることになります。」
「3Dプリント技術は、電極の構造、つまり電池の構成を革新するために使用できます。以前は、電極は非常に薄く、大量のアルミ箔と銅箔の集電体が必要でした。電力ペイロード比を増やすと、エネルギー密度を高めることができます。しかし、厚くした後、リチウムイオンは実際には非常にゆっくりと膨張し、長い間出てこないため、手遅れになります。そのため、電極を革新することができます。たとえば、内部にチャネルを構築して、電子とイオンがチャネルをすばやく通過できるようにしたり、スタック構成を交差させて電極イオンが水平に拡散できるようにしたりして、それほど遠くまで走る必要はなく、近くを走るだけで済みます。」

次世代高エネルギー密度リチウム電池の設計と探索

△清華大学深圳国際大学院准教授曹一丹

清華大学深圳国際大学院の曹一丹准教授は「次世代高エネルギー密度リチウム電池の設計と探求」と題した基調講演を行い、比較的基礎的な応用研究である電池材料の設計の観点からエネルギー密度の向上について語った。スピーチからの抜粋:
「リチウムイオン電池は現在、多くの分野で広く使用されています。私たちがよく知っている携帯電話やノートパソコンのほか、多くの医療機器や大規模なエネルギー貯蔵分野でも使用されています。しかし、リチウムイオン電池の全体的な耐用年数、エネルギー密度、比容量、急速充電性能、安全な電池構造設計は、依然として業界を悩ませています。」

「現在、多くの人がシリコン負極に取り組んでいます。市販のリチウムイオン電池に使用されているグラファイト負極と比較すると、シリコンの比容量はグラファイト負極の10倍ですが、使用中に材料が非常に不安定になるなど、一連の関連する問題もあります。もう1つの有望な、または非常に懸念されている電極材料はリチウム金属です。化学元素の周期表の非常に前の位置にあり、非常に活性な金属であることは誰もが知っていますが、これも一連の問題をもたらします。この高い反応性により、電池の使用中に一連の電解質副反応が非常に簡単に発生し、不安定になり、体積膨張が発生し、粉砕などの一連の問題が簡単に発生し、電池の故障やいくつかの安全上の問題につながります。」

「現段階では、当社が使用している電池材料システムは、負極としてグラファイトをベースとしており、正極に使用されている材料には三元酸化物とリン酸鉄リチウムが含まれています。全体的なエネルギー密度は1キログラムあたり300ワット時未満です。次世代の高エネルギー密度電池の需要には、1キログラムあたり300ワット時、さらには400ワット時や500ワット時という目標を達成できることが求められています。」

バッテリー製造プロセスの破壊と革新：3Dプリントが高性能バッテリーの設計と製造に翼を与える

△ Gaoneng Digitalの共同創設者兼CTO、ヤン・カン博士

中国で3Dプリントバッテリーを専門とする数少ない企業の1つであるGaoneng Digital Manufacturingの共同創設者兼CTOであるヤン・カン博士は、「バッテリー製造技術における破壊的変化と革新 - 3Dプリントが高性能バッテリーの設計と製造に翼を与える」と題した講演を行い、その場で3Dプリントバッテリーのデモンストレーションを行いました。

△ 高エネルギーデジタル3Dプリントバッテリー

「3Dプリントされた固体電池は、切り開いても比較的安全で、ショートしたり発火したりしません。当社の最も薄い電池は300～400ミクロンです。」
「米国のSAKUUの3Dプリントバッテリーは出荷準備が整っているとのこと。そのプロセスはスクリーン印刷のようです。私たち自身もスクリーン印刷を試しましたが、単層の一貫性は良くありません。また、スクリーンに対するプロセス要件も高く、私たち自身で行ったところ、スラリーに付着し、ポールピースの一貫性が悪くなることがわかりました。積み重ねやコーティングの際にも問題があります。これらの面で優れた技術の蓄積があるのかもしれません。彼らは3Dプリントを強く推奨しています。形状や構造の設計の自由度が高く、電化製品のバッテリー寿命を向上できる可能性があります。」

「電極を厚くするのは難しい。3Dプリント技術を使って電極を作り、内部に細孔構造を設計して電解質の浸透を容易にすれば、イオン透過性が向上するだろう。」

「私たちが連絡を取っている3C家電メーカーも、正極と負極の両方で使用される急速充電と放電の実現に取り組んでいます。」

「私たちは主に全固体電池を作るために3Dプリント技術の活用を推進しています。主な問題は界面に集中しているので、私たちが最初に考えるのは、3Dプリント技術を使って電解質と電極の界面構造を設計し、両者の接触を高めることです。」

「高エネルギー密度バッテリーは化学的に不活性な部品の質量を最小限に抑えることで作られるため、カスタマイズされたセパレーターを可能な限り薄くするよう努めています。当社の現在の3Dプリンターでは、最薄7ミクロンまで製造可能ですが、19ミクロンや20ミクロンなど、より厚くすることも可能です。」

「インサイチュー硬化とは、3D プリントを使用して電極と電解質をその場で硬化させることです。これは、従来の固体電池業界では解決できない問題です。言い換えれば、インサイチュー硬化を使用すると、両者のインターフェースを改善し、両者のインターフェースが非常によく接触するようにすることができます。」

「当社の現在の3Dプリントバッテリーは、性能基準を満たしているだけでなく、場合によっては従来のプロセスよりも生産コストが30％低くなります。」

オープンコミュニケーション：バッテリー3Dプリントの未来

テーマ報告の後、オープンコミュニケーションセッションが始まりました。Antarctic Bear の司会のもと、参加者は多くの核心的な問題についてリラックスして自由に意見交換を行いました。

コミュニケーションの問題には次のようなものがあります。

新エネルギー電池の製造における問題点は何ですか? 3D プリントが適しているアプリケーションにはどのようなものがありますか?
投資機関はバッテリー 3D プリンティングという新興分野をどのように見ているのでしょうか?
どのような技術的ルートで品質要件を満たすことができますか?
どのような技術的ルートが大量生産の要件を満たすことができますか?
産業応用における技術的な難しさは何ですか?
量産目標を達成するために、各ルートをどのようにコントロールし、量産性とコスト、効率性のバランスをとることができるでしょうか?

これは非常に前向きな会議です。アンタークティックベアが感銘を受けたのは、会議に出席したゲストのほとんどが、会議全体を通して非常に注意深く聞いていたことです。内容の情報量が多かったため、多くの人が数ページ分のメモを取り、3Dプリント技術と融合した新エネルギー電池産業の未来を早く見たいと願っていました。
Antarctic Bear は、この会議が、バッテリー 3D プリントに関する関連作業に注目し、研究し、さらにはそれに取り組むきっかけとなり、新エネルギーの 1 兆ドル規模の市場で画期的な進歩を遂げるきっかけとなることを期待しています。