高導電性固体高分子電解質の3Dプリントは、エネルギー貯蔵材料設計に新たな選択肢を提供します。

2022年9月19日、アンタークティックベアは、ニューサウスウェールズ大学シドニー校のチームが、強力で導電性の高い固体ポリマー電解質をカスタマイズされた形状に印刷してエネルギー貯蔵できる新しい3Dプリント方法を開発したことを知りました。
△研究者らは標準的な3Dプリンターを使用して、固体ポリマー電解質で作られたオーストラリアの複雑な地図を作成し、それをエネルギー貯蔵装置としてテストした。写真提供：ナサニエル・コリガン博士この研究は、シリル・ボイヤー教授率いる化学工学部の研究者チームによって実施され、ナサニエル・コリガン博士とケニー・リーも参加している。彼らは、小型で精巧に設計されたエネルギー貯蔵は多くの利点をもたらすため、この材料の3D印刷プロセスは将来の医療機器に特に役立つ可能性があると述べた。
固体電解質は固体電池の重要な構成要素ですが、従来はイオン伝導率が低いか機械的特性が悪いために性能が劣っていました。しかし、Kenny Leeらは、Advanced Materialsに掲載された「高弾性率および高伝導率のナノ構造固体ポリマー電解質の3Dプリント」と題する論文の中で、 3Dプリントした固体ポリマー電解質（SPE）は高い伝導率と高い強度を備えていると報告しました。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202204816
これは、固体電解質がデバイスの実際の構造として使用される可能性があり、特に将来の医療製品において、考えられるさまざまな設計の機会を生み出すことを意味します。
ケニー・リー氏は次のように語っています。「これまで、固体ポリマー電解質を 3D プリントした人はいません。従来、固体ポリマー電解質は型を使用して製造されていましたが、こうした従来のプロセスでは、材料の強度を制御したり、複雑な構造を形成したりすることができません。既存の固体電解質では、材料の機械的強度を高めると、導電性が大幅に犠牲になります。導電性を高めようとすると、材料の堅牢性が低下します。私たちが実現したのは、その両方を同時に組み合わせたものであり、複雑な形状に 3D プリントすることができます。このポリマー電解質は、耐荷重エネルギー貯蔵材料になる可能性があります。強度が高いため、小型電子機器、航空宇宙用途、小型個人用医療機器の実際の構造として使用できます。これは、当社の 3D プリントプロセスが非常に複雑かつ精密であるためです。私たちが使用しているようなシステムでは、非常に小さな構造を作成できます。そのため、ナノテクノロジーや、微視的レベルでエネルギー貯蔵を設計する必要があるあらゆる場所で、素晴らしい用途があります。」
△ SPE（50,30）樹脂3Dプリントを使用して印刷された立方螺旋格子の複雑な幾何学構造
サイクル安定性の向上<br /> UNSWチームが開発した固体高分子電解質は高性能材料と考えられているが、研究者らは複雑な工学装置ではなく、安価で市販されている3Dプリンターを使用して製造できると述べている。
論文で説明されている SPE は、剛性の架橋ポリマーマトリックスに埋め込まれたナノスケールのイオン伝導チャネルで構成されています。これは、重合誘起ミクロ相分離 (PIMS) と呼ばれるプロセスを通じて生成されます。
△光RAFT PIMSプロセスの概要。
この材料の多用途性を実証するため、研究者らはオーストラリアの複雑な地図を3Dプリントし、それをエネルギー貯蔵装置としてテストした。
△ 3D プリント機能と機能性スーパーキャパシタへの直接応用を実証します。
コリガン博士は次のように述べた。「エネルギー貯蔵装置におけるこのSPEのもう1つの利点は、サイクル安定性の向上です。つまり、容量が一定レベルまで低下するまでに実行できる充電および放電サイクルの数です。私たちの論文では、この材料は非常に安定しており、数千サイクルにわたって充電および放電する能力があることを示しています。3,000サイクル後でも、低下は約10%しかありませんでした。」
△ニューサウスウェールズ大学の研究者、ナサニエル・コリガン博士が研究室で3Dプリンターを操作している。写真提供：コリガン博士研究者らはまた、3D プリントでは同じ機械を使用してさまざまな形状のさまざまな材料を製造できるため、他の従来の製造方法に比べて廃棄物が減り、コストも下がると述べています。将来的には、製品設計者は SPE を使用して、さらに高いエネルギー貯蔵密度を備えた製品を作成できるようになります。
この研究について、ボイヤー教授は次のように結論づけた。「このエネルギー貯蔵材料がイヤホンとしてだけでなく、バッテリーとしても機能することを想像してみてください。貯蔵密度がはるかに高くなるため、電力がより長持ちします。私たちは本当に素晴らしい材料とプロセスを生み出したので、商業化に向けて前進できることを心から願っています。」

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