新エネルギー電池市場は1,000億ドルの規模です。3Dプリント技術の応用可能性はどの程度でしょうか?深セン大学の劉昌勇氏は熱のこもったスピーチをした。

はじめに: 最近、多くのユーザーが Antarctic Bear にバッテリー 3D プリントに関する情報を問い合わせ、その技術プロセスと応用価値を理解したいと考えています。より多くの注目を集め、考えてもらうことを期待して、いくつかの PPT 資料をまとめて公開しました。

2023年7月15日、深セン大学で第1回電池3Dプリント会議が成功裏に開催されました。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、清華大学深セン国際大学院材料研究所と高エネルギー数値製造（西安）テクノロジー株式会社が共催し、多数の専門家の注目を集めました。全国から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を行いました。

このセミナーでは、深セン大学付加製造研究所の劉昌勇准教授が「3Dプリントリチウムイオン電池の現在の開発状況と今後の動向」を紹介する特別報告を行いました（PPTはダウンロード可能、報告動画は記事末尾で視聴可能）。本稿では、劉昌勇准教授の報告の主な内容をレビューします。

△深セン大学の劉昌勇准教授の関連データの予測によると、2022年から2030年にかけてリチウムイオン電池の総容量は700GWhから4,700GWhに増加し、市場規模は850億ドルから4,000億ドルに拡大し、将来性は良好である。リチウム電池は、民生用電子機器、新エネルギー車、産業用エネルギー貯蔵などの分野で広く使用されています。

現在のリチウムイオン電池技術

技術的な観点から見ると、リチウム電池の主要技術には、材料システム、電池構造、製造プロセスの 3 つの側面が含まれます。

現在、正極によく使われているリチウム電池の材料系は、主にコバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケルコバルトマンガンとニッケルコバルトアルミニウムの三元材料です。負極は主に黒鉛です。現在、高容量のシリコンカーボンも商品化され始めており、比較的安全性の良いチタン酸リチウムもあります。これらは現在より商業的に使用されている材料です。バッテリーメーカーによって材料システムに対する認識は異なります。BYDはリン酸鉄リチウム材料システムを採用し、CATLは三元材料システムを採用しています。どちらも市場に参入する余地があります。

バッテリーには多くの材料が使われており、適切な化学システムと理想的なバッテリー構造が必要です。バッテリーが合理的に設計されて初めて、バッテリーの性能が向上します。

電池の構造としては、一般的にはアルミ箔の表裏に正極材料を塗布し、銅箔の表裏に負極材料を塗布し、最後にセパレータとともに層状に積層して電池を構成します。銅箔とアルミ箔の機能は、活物質によって発生した電流を集め、集電体として機能することです。現在、塗布されている活物質の厚さは100ミクロン未満ですが、厚く塗布しすぎると充放電速度に影響が出ます。そのため、バッテリーを作るには大量の銅箔とアルミ箔が必要となり、バッテリーのエネルギー密度に重大な影響を与えます。

電極厚さ100μm未満

大量の集電体（アルミ箔、銅箔）を使用する

ダイヤフラム（ポリエチレン）を多用する

バッテリーのエネルギー密度を高めるために、現在一般的な技術的方法は、より薄い集電体を使用してその体積と質量を減らすことです。集電体は現在 6 ミクロンで、ダイヤフラムも 10 ミクロンと薄くなっています。次に、バッテリーセルが大きくなり、バッテリー全体のバッテリーシェルパッケージの体積が削減されます。

より薄い集電体（最薄6μm）

より薄いダイヤフラム（10μm程度）

より大きな単一セルサイズ

テスラ 4680 バッテリー: 直径 46mm 高さ 80mm

BYDブレードバッテリー：905mm*118mm*13.5mm

バッテリーには、電流を集める集電体、正極、セパレーター、負極、電解質があり、これらの材料の性能は実に多様です。異なる材料システムにより、エネルギー密度、安全性などが異なります。

リチウム金属全固体電池などの新技術はまだ市販されていませんが、将来に向けて重要な方向性を示しています。

3D プリンティングはバッテリー製造にどのように役立つのでしょうか?

3D プリンティングにより、次のようなバッテリー製造が可能になります。

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

では、リチウム電池と 3D プリントはどのように結びつくのでしょうか?そこでまず、スラリー直接描画、インクジェット印刷、光重合印刷、溶融押し出し、バインダージェッティング、レーザー選択焼結、エアロゾル 3D 印刷など、一般的に使用されている 3D 印刷技術を見てみましょう。

両者の組み合わせは、2013年にハーバード大学がスラリー直接書き込み3Dプリント技術を使用して研究者がバッテリーのプロトタイプを作成したという論文を発表したことに遡ります。それ以来、世界中の多くの科学研究機関や企業が3Dプリントリチウムバッテリーの研究を開始しました。

3D プリント技術は、電極の構造革新やバッテリー構成の革新に使用できます。以前は電極が非常に薄く、大量のアルミ箔と銅箔の集電体が必要でした。電力対ペイロード比が増加すると、エネルギー密度を高めることができます。しかし、厚くした後は、リチウムイオンの膨張が非常に遅くなり、長時間出てこられなくなるため、電極を革新することができます。例えば、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横方向に拡散できるようにしたりすることで、イオンがそれほど遠くまで走行する必要がなくなり、近くを走行できるようになります。

過去 10 年間の研究では、さまざまな 3D プリント技術を使ってバッテリーを製造しようと試みられてきました。

その中で、リチウム電池の製造において光硬化型 3D プリント技術を使用する方法は 4 つあります。
1. 光硬化によるゲルポリマー電解質の調製。
2. 感光性樹脂の光硬化印刷＋高温熱分解により炭素格子を得る。
3. 感光性樹脂前駆体の光硬化印刷＋高温焼成により三次元電極を得る。
4. 活性物質を含む感光性樹脂を光硬化印刷して三次元電極を得る。

FDM 3D 印刷技術は、リチウム電池の製造に使用されます。一般的に、グラフェン、リン酸鉄リチウム、コバルト酸リチウム、チタン酸リチウムなどの電池材料を PLA や TPU などのポリマー材料に混ぜ、FDM 3D プリンターで印刷して電極構造を取得し、その後ポリマー材料を除去する方法を見つけます。

SLS レーザー焼結技術は、焼結に 1KW ファイバーレーザー (1070nm) を使用して、Ni-Co-Al 三元材料の 3D プリントに使用されています。

バインダージェッティング技術は、実際には従来のバッテリー材料システムに少し似ています。これも、活物質、バインダー、導電剤を混合し、ボンディングマシンスプレー方式で形状に印刷します。この技術をどのように活用して、複数の材料と複数の機能を備えた複雑な部品を製造するかが大きな課題です。

現在、最も広く使用されている3Dプリント技術はスラリー直接書き込みです。従来の電池製造でも電極材料をスラリー状にして塗布しています。現在では、形状と構造を制御するために 3D プリントで押し出されています。スラリー直接描画技術は材料への適用範囲が最も広く、科学研究分野では基本的に誰もがこの技術を使用していますが、印刷精度や効率が特に高くないなど、多くの問題もあります。

もう一つの方法は、金属3Dプリントで、銅やアルミニウムなどを格子構造に直接プリントして集電体とし、そこに活物質を流し込んで電極にするものです。活物質を充填するための三次元集電体として、アルミニウム合金と銅合金の軽量格子構造を採用しています。

最後の技術はエアロゾルジェッティングと呼ばれています。この分野では海外で研究が行われており、リン酸鉄リチウムやチタン酸リチウムの印刷に使用されており、曲面にも印刷できます。

上記は、3D プリントを使用してバッテリーを製造する方法を研究する中で、研究者が過去 10 年間に生み出したアイデアと成果の一部です。 3D プリンティングは将来、バッテリー製造にどのような影響を与えるのでしょうか?劉昌勇氏は次の 5 つの側面を要約しました。
●3Dプリントにより電極構造/電池構成の革新が可能●3Dプリントにより電池プロトタイプの迅速な開発を促進●3Dプリントによるパーソナライズ/特殊形状電池の迅速な製造●3Dプリントによるスマートウェア向けフレキシブル電池製造●3Dプリントにより構造/電池/回路表面の適合設計が可能△3Dプリントにより厚い電極を作ることで活物質の割合を増やし、電池構成の革新によりエネルギー密度を向上△コーティングされた平面電極を3Dプリントされた立体構造電極に変換△電池プロトタイプの3Dプリント検証
3Dプリントされたバッテリーはプロトタイプの検証に使用されますが、量産となると従来のプロセスが依然として使用され、大量生産には製造上の問題があります。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解決する必要があります。これにより、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が妨げられます。
△形状/構造/サイズをカスタマイズできるバッテリー。製品最適化の可能性が広がります。△ウェアラブルアプリケーション向けの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/回路の適合設計が可能になります。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あります。構造部品、回路、アンテナなど、多くの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すべての表面に適合させて設計できれば、非常に有望な技術になります。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たことがありますが、良い解決策はありません。

実際、深セン大学付加製造研究所は2017年からリチウム電池の3Dプリントの研究を開始しており、国家自然科学基金からの支援を受けています。劉昌勇氏は、これまで開発してきた低温3Dバイオプリンティング技術を基に、リチウム電池の3Dプリンティングに使用できる低温直接書き込み装置をさらに開発したと述べた。この装置はさまざまな電極を印刷でき、多くの関連論文を発表している。

3Dプリントリチウムイオン電池の開発状況と今後の動向：ダウンロードアドレス https://www.nanjixiong.com/thread-163655-1-1.html
スピーチビデオ

△劉昌勇准教授のレポート動画

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。南極熊に感銘を与えたのは、会議に出席したほとんどのゲストが全過程を通じて非常に注意深く耳を傾け、ほとんどトイレに行かなかったことです。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。