未来のバッテリーのための付加製造: 3D プリンティングはバッテリー製造を変えるでしょうか?

はじめに: リチウム電池は、電気自動車、携帯電話、ウェアラブル電子機器、エネルギー貯蔵などの中核をなし、デジタルライフに力を与えています。しかし、リチウム電池は損傷すると発火する傾向があり、これは業界が対処しなければならない問題です。市場には、特に揮発性液体の製造方法を革新的な固体アプローチに置き換えることによって、リチウムイオン電池の故障問題の解決を目指すスタートアップ企業が溢れています。バッテリー関連の新興企業は、3Dプリンティング（付加製造とも呼ばれる）を使用してバッテリーを製造することで、安全性の問題に対処できるだけでなく、現在入手可能なバッテリーよりも小型で軽量、製造コストが安く、エネルギー密度が高く、充電が速いバッテリーを実現できると述べている。以下、Antarctic Bearは、3Dプリントリチウム電池の分野で特に著名な3つのスタートアップ、 Sakuú、Blackstone 、 Photocentricを紹介します。さらに、Antarctic Bearは、3Dプリントリチウム電池に関する最先端の研究も紹介します。

●バッテリーサイズを自由に設計

Sakuuは世界初の3Dプリント固体電池の開発企業であり、2022年8月にシリコンバレーに電池プラットフォーム印刷プログラムのための先進的な多面的なエンジニアリングセンターを開設しました。新施設は79,000平方フィートの面積をカバーし、同社のエンジニアリングセンターとして使用される予定であると報じられている。この施設には、バッテリー、エンジニアリング、材料科学、研究開発、付加製造の各分野のチームが集結し、2023年第1四半期までに115人の従業員が勤務する予定だ。

同社によれば、Swift Printバッテリーはあらゆる形状やサイズで製造でき、同社独自の3Dプリンターを使用してカスタマイズできるという。従来の製造方法と比較すると、3D プリントでは、製造金型や製造ツールを待つ必要がないため、より複雑な形状、製造の柔軟性、および高い製造速度が可能になります。

サクー氏は、リチウムイオン電池は長方形、円筒形、ポーチ型に限定されず、さまざまな製品に組み込むことができるようになるため、設計者は標準的な電池形状に合う製品を開発するのではなく、革新的な製品を中核として電池を設計できるようになると述べた。 Sakuúの3Dプリンター「Kavian」は、金属、セラミック、ガラス、ポリマーを同じ層に使用し、現在の方法よりも速く、安く、軽く固体電池を製造します。 3Dプリンターの具体的な詳細は明らかにされていないが、Kavianプラットフォームは複数の3Dプリント技術を使用して、従来のロールツーロールのバッテリー製造プロセスと比較して製造工程を半分に削減する。

Swift Print のバッテリー技術には、バインダージェッティング (金属またはポリマー粉末を流体で層ごとに結合) と金属材料ジェッティング (溶融または金属スラリーを層ごとに堆積して硬化) が含まれており、各層を積み重ねて製造する前に AI 品質管理と検査を実行できます。サクー社によると、リチウム電池の現在の製造方法と比較して、同社のカビアン・プラットフォームは製造コストを33%削減し、工場の規模を44%縮小できるという。

●ブラックストーン：3Dプリントバッテリーが持続可能性を向上<br /> 3D プリントにより、形状やサイズの自由度が増すだけでなく、製造業者はリチウム、コバルト、マンガンなどの希土類鉱物などの原材料を節約し、溶剤の使用を減らすか、なくすこともできます。 3D プリンティングは、「減算型」技術ではなく「加算型」技術として知られており、実質的に廃棄物は発生しません。特に粉末ベースの積層造形においては、残った材料はリサイクルされ、次の印刷に使用されます。

3Dプリントバッテリーの新興企業であるブラックストーンテクノロジーは、同社の方法は従来の方法よりも持続可能であると述べている。製造プロセスでバッテリーの金属材料を節約できるだけでなく、エネルギー消費も25％削減できる。ブラックストーンは、2021年に最初の機能的なバッテリーを印刷しており、製品の成熟度ではサクーよりも進んでいます。その技術は厚膜技術と呼ばれ、サクーとは全く異なるもので、その核となるのは3Dスクリーン印刷方式です。ブラックストーン社は、この技術は従来の電池製造よりも30％安価になり、液体電解質電池と固体電池の両方に使用できると述べた。

3D スクリーン印刷では、スクリーン印刷プロセスで金属ペーストと接着剤を使用し、コンピューターで生成されたマスクに押し付けて硬化させ、ほぼあらゆる形状の部品が完成するまで層ごとに繰り返し印刷します。

「固体電池の製造はエネルギー密度を高め、電池技術のコストを大幅に削減する」とブラックストーンは述べ、同社がフォルクスワーゲンの電気自動車に自社の電池を組み込むことについて同社と協議中だと付け加えた。「ドイツの工場で電池を製造するほか、ブラックストーンは自らも材料の採掘と調達を行っている。同社はカナダのエレクトラ・バッテリー・マテリアルズなどの希土類金属採掘事業に投資しており、ノルウェーではいくつかの希土類金属の採掘許可を申請する許可を保持している」

△ドイツ・ブラックストーンテクノロジーズの3Dプリントバッテリー工場。

ブラックストーンはナトリウムイオン電池技術の開発も続けている。現代の液体電解質電池の生産ラインは非常に単一であり、企業は一度に1種類の電池しか生産できない。製造プロセスはエネルギーを大量に消費し、コストもかかる上、環境や人体に有害な溶剤を電極の原料として使用する必要があります。上記の問題を解決するために、ブラックストーンは、3Dプリントを使用して層ごとにバッテリーを製造する方法を提案し、バッテリー製造プロセスをより柔軟にし、コスト効率を高め、環境に優しい材料を使用しながら、より多くの種類のバッテリーを生産できるようにすることを目標としました。 3D プリント製造は本質的に柔軟性が高いため、Blackstone は顧客の要件に応じてバッテリーのサイズと形状をカスタマイズできます。ブラックストーンのナトリウムイオン技術にはいくつかの利点があります。
1. 原材料が簡単に手に入る
2. 環境に優しい製造プロセス
3. 製造工程がより経済的
4. 従来製造の電池に比べてエネルギー密度が高い
5. バッテリーの安全性の向上

●フォトセントリック：サプライチェーンのレジリエンス<br /> 現在、主に中国からの希土類金属の供給が減少しており、これがバッテリー製造の大きな障害となっている。多くの企業や地域では、サプライチェーンの混乱の可能性を排除し、エネルギーの自立を確保するために、バッテリー生産を再開する方法を模索しています。 3Dプリント会社Photocentricは、電気自動車用の固体電池を製造するための新しい産業用3Dプリンターを開発するために、2020年以来数百万ドルの政府投資を受けています。 Photocentric の技術はまだ研究開発段階にあり、Sakuú や Blackstone とは異なり、その中核技術はフォトポリマーを使用した樹脂 3D プリントに基づいています。

Photocentric は、ポリマー電解質バインダーとアノードおよびカソード粉末を印刷可能なフォトポリマー樹脂に開発しており、特許出願中のプロセスにより、英国市場向けの軽量バッテリーの低コストで大規模な生産が可能になると期待されています。

△Photocentricの3Dプリントバッテリー研究室。

●AmpceraとLLNLは、より耐久性と効率性に優れた3Dプリントリチウム電池の開発に150万ドルの投資を受けた。

2022 年 7 月 9 日、Antarctic Bear は、二酸化炭素排出量を削減し、より環境に優しい未来に向けて進むために、米国エネルギー省 (DOE) が Ampcera とローレンスリバモア国立研究所 (LLNL) に約 150 万ドルの助成金を提供したことを知りました。この資金は、3D構造リチウム電池カソードを製造するための無溶剤レーザー粉末床溶融結合（L-PBF）付加製造技術の開発を支援するために使用され、リチウム電池の性能とエネルギー密度を向上させ、より経済的で持続可能なものにします。

リチウムイオン電池市場への革新的なサプライヤーであるAmpceraは、産業排出量の削減とクリーンエネルギー技術の開発を目的として、米国エネルギー省先進製造局が承認した6つのエネルギーシステムプロジェクトの1つとして、ローレンス・リバモア国立研究所と協力しています。このリチウム電池は、付加製造技術によって開発・生産され、エネルギー効率が非常に優れています。積層造形法で製造された電池の期待効率は従来の製造方法の10倍以上となり、リチウム電池の製造コストは50％以上削減されると報告されています。さらに、3D プリントによるリチウム電池の生産により、エネルギー密度が 450 Wh/kg 以上に向上し、コストが 1kWh あたり 75 ドル未満に削減されることも期待されています。

●中国科学院化学研究所は、3Dプリント金属リチウム電池を開発しました。サイクル寿命は4800時間以上と非常に長いです。
2022年10月、Antarctic Bearは、中国科学院大連化学物理研究所触媒重点研究室の研究者が新型リチウム金属電池を開発したことを知りました。彼らは3Dプリント技術を使用して、電池寿命とエネルギー密度を大幅に向上させました。

本研究では、研究者らは3Dプリント技術を使用して、デンドライトのない安定したLiアノードとして多孔質導電性Ti3C2Tx MXeneを開発し、極厚カソードとして多次元導電性LiFePO4（LFP）格子を開発して、強力なサイクル安定性と超高面エネルギー密度を備えた完全に3DプリントされたLMBを構築しました。具体的には、高濃度MXeneインクは、約105 Pa⋅sの高い見かけ粘度と一定の降伏応力（3990P.）を持ち、クリアなパターン電極の3Dプリントに適しています。

得られた導電性多孔質ネットワークは、リチウムイオンの流れと局所的な電流分布を均一にするだけでなく、Ti3C2Tx Mxene の親石基 O と F がリチウムイオンと反応して均一な SEI フィルムを形成し、金属 Li の均一な核形成と成長を効果的に制御し、Li デンドライトの成長を抑制します。

概要<br /> 世界中の企業は、現在の安全上の問題に対処するだけでなく、国内製造のニーズを満たし、材料調達を確保し、持続可能性を促進するために、より優れたバッテリー製造工場を徐々に開発および建設しています。成熟した業界に新しい製造方法を導入することは困難ですが、今後数年間で 3D プリンティングは、製造の柔軟性、大量カスタマイズ、より環境に優しい材料、市場投入までの時間の短縮を提供することで、従来の方法を上回るものになる可能性があります。

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