ベルギーの研究者はスラリー3Dプリントを使用してチタンベースの電極を印刷し、従来の方法と比較してピーク電流密度が向上しました。

この投稿は warrior bear によって 2023-1-17 20:09 に最後に編集されました。

2023年1月17日、アンタークティックベアは、ベルギーとドイツのエンジニアがチタンベースのスラリーを使用してバッテリー電極を製造およびテストするプロセスを実証し、スラリー3Dプリント技術により、従来の製造ソリューションと比較して、製造された電極のピーク電流密度を高めることができることを証明したことを知りました。
関連する研究結果は、今週の「ChemElectroChem」誌に「スラリー電極の電流密度を向上させるチタンベースの静的ミキサー電極」と題する論文として掲載されました。

論文リンク: https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202200928?af=R
スラリー 3D プリント電極<br /> 3D プリント電極に使用される「スラリー」電極は、スラリー中の液体に固体粒子が懸濁されるのと同様に、導電性材料を液体媒体に懸濁させることによって作られます。
「スラリー電極」という用語は、電極材料の物理的状態を表すために使用されます。電極材料は、液体媒体 (水などの電解質) とその中に浮遊する固体粒子 (グラファイトなどの導電性材料) の混合物です。これは、固体電極や液体電極など、電極材料の物理的状態が異なる他のタイプの電極とは対照的です。
これらのタイプの電極は、燃料電池、バッテリー、電気メッキプロセスなど、電気化学反応を起こすために液体媒体が必要となる電気化学システムでよく使用されます。この研究プロジェクトでは、バナジウムレドックスフロー電池（VRFB）の製造に応用されています。
△グラファイトコーティング前（上）とコーティング後（下）の静的チタン系ミキサーの比較。画像出典: Persin
チタンベースのミキサーは、電極からシステムの他の部分に電荷を転送するのに役立つ電流コレクターと組み合わせて使用されることがよくあります。複雑なフローディストリビューターは、集電体とスラリー粒子間の電荷移動を改善するために使用されます。
DWI-ライプニッツインタラクティブマテリアル研究所、アントワープ大学、アーヘン工科大学を含む複数の研究所の研究者らは、間接3Dプリンティングを使用してVRFの流量分配器を製造した。積層造形技術を使用することで、上の画像のようなねじれた形状を作り出すことができました。
間接3Dプリント
VRFB は、さまざまな酸化状態のバナジウムイオンを使用してエネルギーを蓄えるフロー電池の一種です。市販の VRFB では、炭素ベースの紙またはフェルト電極が一般的に使用されています。研究者らは、3Dプリントされたスタティックミキサー（SM）をバッテリーの流路に組み込むことで、これらの電極をスラリー電極に置き換え、集電体とスラリー粒子間の電荷移動を改善しました。
スタティックミキサーはモールド方式で製造されます。具体的な製造手順は以下のとおりです。

金型はまず、容易に入手可能な可溶性フィラメントを使用した消費者向け FDM システムで印刷されました。
次に、79.4% のチタン粉末、9% のエポキシ樹脂、11.6% のグリセロールからなるペーストを型に充填します。
40℃で3時間硬化させた後、型をトルエンに溶解して非導電性チタン静的ミキサー（TiSM）を形成しました。
最後に、2 段階のプロセスを使用してバインダーを除去し、チタン粒子を導電性にしました。このプロセスは、TiSM を 600 °C で 60 分間加熱し、その後アルゴン下で 1000 °C で 60 分間再度加熱することで構成されます。次に、TiSM サンプルの両面に均一にスプレーしてグラファイトにコーティングし、30 °C の真空オーブンで乾燥させました。

電池部品の一貫製造<br /> 次の図に示すように、スタティックミキサーは VRFB に統合されています。
△ VRFBコンポーネント。画像出典: Persin
研究者らは電極をさまざまなテストにかけ、サイクリックボルタンメトリー分析により、剥離や表面の変形が起こる前に最大7層のグラファイトを噴霧できることが示された。結果は、TiSM 電極のグラファイト表面処理により、正極電解質のピーク電流密度が 3 倍、負極電解質のピーク電流密度が 2 倍高くなることを示しています。
この研究では、スラリー電極を使用した酸化還元フローセルにおける静的ミキサーの役割を実証し、集電体から粒子への電荷移動を改善します。
バナジウムレドックスフロー電池は、サイクル寿命が長く、エネルギー効率が高く、大量のエネルギーを蓄えることができるなど、他の種類の電池に比べていくつかの利点があります。また、不燃性、非爆発性であり、動作温度範囲が広いのも特徴です。これらの特性により、グリッド規模のエネルギー貯蔵や再生可能エネルギーの統合などの大規模なエネルギー貯蔵アプリケーションに適しています。最後に、研究者らは、この成果により、より優れた効果を持つ充電式電池のさらなる開発と応用が促進されることが期待されると述べた。