3Dプリント新エネルギー車用バッテリーの市場潜在力は1000億元に達し、エネルギー密度は2倍に増加できる。

南極熊の紹介：3Dプリント技術を使用してリチウムイオンとナトリウムイオンの新エネルギー車両バッテリーを製造すると、エネルギー密度が2倍になり、製造コストが半分になる可能性があります。通常の橋梁車両の航続距離は1,500キロメートルに達します。これは生産価値が数千億元に及ぶアプリケーション市場です。これが中国の注目を集めることを期待します。
△自動車用バッテリー3Dプリント製造工場△3Dプリント固体電池世界的なエネルギー転換を背景に、高エネルギー密度、持続可能性、軽量などの3Dプリントバッテリーの利点は、電気自動車市場で緊急に必要とされています。したがって、商業化可能な大規模な 3D プリントバッテリーの開発は、将来、電気自動車業界の新たな方向性となるでしょう。 Antarctic Bear によるこの記事では、自動車業界における世界的な 3D プリントバッテリーの現在の開発状況を概説しています。これは、積層造形と自動車分野の開発に新たなインスピレーションをもたらすものと信じています。

3Dプリント固体電池の専門家Sakuuが日本の武蔵と提携し、電気自動車の開発を推進

Sakuu Corporation は、米国カリフォルニア州に本社を置く産業ソリューションプロバイダーです。以前は KeraCel として知られ、2016 年に設立されました。 Sakuu の 3D 印刷プラットフォームは、複雑な機能デバイスを柔軟かつコスト効率よく大量生産するための、マルチマテリアル、マルチメソッドの 3D 印刷ソリューションです。これにより、エネルギー業界のメーカーは、現在の固体電池オプションのコスト、性能、範囲を改善できるようになります。

2019年5月、Sakuu（別名Keracel）はセラミック固体リチウム電池の生産における新たな進歩を発表しました。同年8月、日本の自動車部品メーカー武蔵精密工業は、3Dプリント固体電池の開発を加速することを目的として、Sakuuとの戦略的提携を発表した。この計画では、まずこの技術をオートバイ業界に適用し、その後、より広範な自動車業界に適用する予定です。

株式会社サクウは2021年6月17日、密閉型アノード構造のハイブリッド固体電池、マイクロリアクターや固体電池などの能動デバイスを作成できる積層造形システム、電子写真式マルチマテリアル3Dプリンターの3つの特許を発表した。

△佐久宇AMホーム内部。写真提供：Sakuu。
サクウ株式会社は2021年7月28日、現行のリチウム電池と同等以上の性能を持つ3Ahリチウム固体電池（SSB）を開発したと発表した。 Sakuúは、第一世代のSSBバッテリー技術と主力の積層造形プラットフォームを開発しており、同社によれば、これはマルチマテリアルバインダージェッティングプロセスを使用し、2021年末までに市販される予定だという。第 1 世代のバッテリーは 30 個のサブセルで構成され、リチウム金属とセラミックのセパレーターが使用されていました。さらに、バッテリー設計では現在の業界標準のカソード材料が使用されており（将来的にはより高い電圧をサポートするカソード材料が使用される可能性があります）、最大 25% 多くのエネルギーを生成できます。

△サクウの第一世代全固体電池。画像提供：Sakuu。
株式会社サクウは2021年8月22日、3Dプリント固体電池の生産に向けた新たなパイロット施設の建設を開始した。パイロット生産ラインは2021年末までに完成し、生産開始後は年間最大2.5MWhの固体電池を生産できるようになると報じられている。今後数年間は、同社のマルチマテリアル3Dプリントシステム「Sakuu AM Platform」の顧客学習センターとしても機能する予定です。エンジニアリング会社のRelevant Industrial社とHoneywell社は、エンジニアリング、プロセス設計、システム統合サポートを提供することで、施設の建設を支援します。

△Sakuuの今後のパイロット生産ラインのレンダリング。画像提供：Sakuu
Sakuu は、3D プリントされた固体電池の開発と普及に取り組んでいます。固体電池と現在主流となっている従来のリチウム電池との最大の違いは電解質にあります。従来のリチウム電池は、主に正極材料、負極材料、電解質、セパレーターで構成されています。正極と負極の材料によって電池の容量が決まり、電解質とセパレーターはリチウムイオンを伝達する媒体として機能します。固体電池は、従来のリチウム電池の電解質とセパレーターの代わりに固体電解質を使用します。リチウム電池と比較すると、固体電池はより安全で、理論上のエネルギー密度と体積エネルギー密度も高くなります。しかし、固体電池にも一定の制限があります。例えば、固体電解質は導電性が低く、急速充電ができません。また、材料の物理的接触が時間の経過とともに劣化し、耐用年数に影響します。さらに、製造プロセスが複雑です。

△電池構造図 △電池性能比較
Sakuu の積層造形技術は、粉末床法とジェット材料堆積法を組み合わせ、さまざまな材料を使用して部品を作成します。セラミックと金属をSakuuのPoraLyteサポート材料と組み合わせることで、部品の張り出しの制限を取り除き、内部チャネルと空洞を備えたデバイスの作成が可能になります。サクウ氏は、この技術は既存の製品を大きく進歩させたものであり、薄いモノリシック層と完璧なインターフェースの作成を可能にし、高エネルギー密度の固体電池（SSB）を生産できると述べた。さらに、粉末から粉末へのプロセスのおかげで、セラミックや金属材料のリサイクルは従来の方法よりも容易になり、グラファイトの抽出やポリマーが不要になるため、埋め立てや焼却される廃棄物が少なくなると言われています。
△Sakuuバッテリー3Dプリントは複数の3Dプリント技術を採用
Photocentric が自動車用燃料電池をカスタマイズする 3D プリントバッテリー研究部門を立ち上げ

3Dプリンター・材料メーカーのPhotocentricは2020年9月15日、環境に優しい3Dプリントバッテリーの開発を専門とする3Dプリントバッテリー研究部門の設立を発表し、自動車における3Dプリント燃料電池の応用を最適化するために投資を増やし続けると述べました。 3Dプリント自動車用バッテリーの研究を始める前、同社の主力製品は感光性樹脂材料であり、特許を取得した可視光重合（VLP）3Dプリント技術を所有していました。同社の化学研究開発責任者であるサラ・カーメル博士によると、特許取得済みの3Dプリント技術を活用することで、より大きなエネルギー貯蔵能力を持つカスタム自動車用バッテリーを開発できるという。
△Photocentricの目標は、テスラのギガファクトリーで使用するための3Dプリントバッテリーを開発することです。画像はPhotocentricより
Photocentric は長い間、改良されたエネルギー貯蔵装置の開発が世界で最も重要な環境問題の 1 つであると考えてきました。現在市販されている従来のバッテリーセルは大きくて重く、自動車での使用に最適化されていないため、車両の設計は適合性よりも使いやすさによって決まることが多いのです。 Photocentric は、自動車用バッテリーの低コストで大規模な製造を実現するために、3D プリント技術をバッテリー製造プロセスに統合し、積層製造燃料電池の開発計画を策定しました。

2021年5月18日、Photocentricは、光重合によるバッテリー電極構造の精密制御により、新エネルギー車などの製品向けの複雑な新しいバッテリー形状と軽量バッテリーパックの実現への扉が開かれたと発表しました。同社の 3D プリントバッテリーのプロセスは光重合で使用されるプロセスに似ており、市販の電極粉末と導電性添加剤のバインダーとして機能する独自のフォトポリマー樹脂を使用して電極を 3D プリントします。次に、緑色の印刷部品を洗浄して硬化させ、その後、脱脂と焼結を行ってポリマーを除去し、活性電極材料のみを残します。 Photocentric は実際に、印刷から洗浄、後処理まで部品が自動的に処理され、繊細な電極が汚染されたり損傷したりするリスクを回避する自己完結型の 3D プリントバッテリーシステムを開発しました。
新エネルギー車に影響を及ぼす可能性のあるPhotocentricの3Dプリントバッテリープロジェクトは、自社の事業における持続可能な開発の追求とも一致しています。同社の3Dプリンターは、フォトポリマー部品を硬化させるために紫外線ではなく可視光を利用しており、機械の稼働に必要なエネルギーが少なくて済む。再生可能な資源からの新しい環境に優しい素材やリサイクルの取り組みも進行中です。同社がこれまで使用してきた電極材料にはコバルト酸リチウム（LCO）やチタン酸リチウム（LTO）などがあるが、カーメル氏は同社のプラットフォームは材料に制限されず、他の確立されたバッテリー化学もサポートできると述べた。 Photocentric の現在の目標は、最高の化学的性質と最も有用な形状を提供できる業界パートナーを見つけ、3D プリントされたバッテリーを自動車で実証することです。
△新エネルギー車用バッテリーパック。写真提供: Photocentric △ 3Dプリントされた電池電極の微細孔
ブラックストーンが3Dプリント固体電池を開発

2020年9月23日、スイスのBlackstone Resources AGは、3Dプリントによるリチウムイオン固体電池の一連の画期的な成果を発表しました。同年11月、ブラックストーンはドイツのザクセン州デベンにあるアム・フックスロッホ工業団地に初の3Dプリントバッテリー生産工場を開設した。ドイツの自動車製造業を支援するため、産業用途や電気自動車向けの次世代バッテリーを大量生産する。さらに重要なのは、この工場の稼働が、3Dプリントバッテリーの工業生産における「第一歩」でもあるということです。

ブラックストーンの第1期工場の生産能力は年間0.5GWhに達し、2025年までにバッテリーセルの年間生産能力は3GWhに達すると報じられている。これはフォークリフト75,000台分の電力に相当し、この目標が達成されれば、生産量は年間10GWhまで段階的に増加する予定だ。同社は、高エネルギー密度の信頼性の高いリチウムイオン電池を大量かつ低コストで生産できると確信しており、1キロワット時あたり80ユーロを大幅に下回るコストの実現を目標としており、これは蓄電技術における究極のブレークスルーとなるだろう。

2021年4月、ブラックストーンのドイツ子会社であるブラックストーンテクノロジーGmbHは、初の実用的な固体電池の印刷とテストに成功し、ブラックストーンの固体電池で駆動するLEDライトを実演したと発表した。
△発光ダイオード付き5x5平方センチメートルのポーチ電池 2021年6月21日、Blackstone Resources AG（SWX：BLS）は、子会社のBlackstone Technology GmbHの電池事業を米国市場に拡大し、上場を通じて追加資金を調達すると発表しました。現在、Blackstone Resources AG はスイス証券取引所に上場しており (シンボル BLS)、Blackstone Technology に多額の投資を行っています。

ブラックストーンの3Dプリントバッテリープロジェクトは、欧州のホライズン2020プログラムによって資金提供され、バッテリー密度、充電サイクル、コストの点で目覚ましい成果を達成しました。 Blackstone Technology の 3D 印刷プロセスは、液体電解質を使用する従来のバッテリー設計に比べて大きな利点があります。一般的に、ブラックストーンの 3D プリント固体電池技術には次のような利点があります。
1) 3D プリントによるリチウムイオン電池の生産は成熟しており、特許も取得されているため、生産プロセスに最大限の柔軟性を提供します。
2) CAPEX を 30%、OPEX を 10% 削減でき、ソリッドステート技術を使用すると CAPEX を 70%、OPEX を 30% 削減できます。
3) 固体電池を大量生産できる世界初の3Dプリント製造プロセス。
4) エネルギー密度は 20% 増加し、固体技術を使用すると 100% 増加します。
5) 自社のリソースを活用してサプライチェーンを短縮し、バッテリー材料への長期的なアクセスを確保する。
6) 乾燥工程を 50% 削減することで、エネルギー消費量を 25% 削減できます。これは、バッテリーセルの製造コストの中で最も重要な部分であり、総エネルギーコストの 45% ～ 57% を占めています。
△3Dプリント固体電池生産ワークフロー 3Dプリント電池業界の先駆者として、ブラックストーンの3Dプリント電池技術が固体電池生産に重要な基礎を築くことは間違いありません。
ブラックストーンは2021年12月7日、オンライン記者会見で、初の大規模3Dプリントリチウム電池工場が生産を開始すると発表した。ブラックストーン・テクノロジーは当初の年間生産能力目標を500MWhに設定しており、2022年末までに目標を達成する予定であると報じられている。タイムラインはまだ設定されていないが、成長計画の第2フェーズでは年間5GWhを目標とし、第3フェーズでは最終的に10GWh以上を目指している。

△ドイツ・デーベルンの新製造工場。画像はBlackstone Technologyより。 △ブラックストーンテクノロジーの3Dプリントリチウム電池。画像はBlackstone Technologyより。
2022年3月、アンタークティック・ベアは、ブラックストーン・リソーシズが3Dプリントされたナトリウムイオン電池を早ければ2025年に商品化すると発表したことを知りました。
ブラックストーンはこれまで主に3Dプリントのリチウムイオン電池に注力してきましたが、現在はいくつかの利点を持つナトリウムイオン技術に目を向けています。
● 原材料が簡単に手に入る
●環境に配慮した製造工程
●製造工程がより経済的
●従来製造の電池に比べてエネルギー密度が高い
●バッテリーの安全性向上

「ナトリウムイオン技術は、次世代の3Dプリントバッテリー市場における当社の主導的地位を表すものであり、当社が再び革新を起こし、クリーンエネルギーとカーボンニュートラルな輸送の未来に貢献できることを嬉しく思います」とブラックストーン・テクノロジーのCEOは述べた。

国内の3Dプリントバッテリー技術企業Jiaoda High Energyが100万人民元のシードラウンド資金調達を獲得
2021年5月11日、動力電池向けデジタル3Dプリントソリューションを提供する長春交通大学高能源科技有限公司（以下、交通大学高能源科技）は、数百万人民元のシードラウンドの資金調達を獲得し、投資後の評価額が1,000万人民元に達したと発表した。交通大学増志校の投資と育成を受けた。

長春交通大学高エネルギー技術有限公司は、中韓国際協力実証区に登録されており、革新的な電極設計、複合材料のマイクロナノ印刷などのコア技術を有しています。動力電池のデジタル3D印刷技術の研究開発と産業化に注力し、世界の電池メーカーにデジタルインテリジェント製造の総合ソリューションを提供しています。3D印刷電池技術の世界的先駆者です。交通大学高能源科技の創立チームは、世界で初めて3Dプリント電池技術を産業化した企業の1つとして、Top-e電極革新設計システム、3Dプリント電池技術、3Dプリント技術に基づくデジタルインテリジェント製造ソリューションを独自に開発しました。世界中の電池メーカーにデジタル3Dプリント総合ソリューションを提供し、3Dプリントを利用して、現在の煩雑な動力電池の正極と負極の製造プロセスを革新します。
交通大学高能源の3Dプリント電池技術は、動力電池の安全性能を大幅に向上させ、エネルギー密度を80％向上させ、製造コストを50％削減する可能性を秘めており、非常に大きな技術的優位性と商業的価値を持っています。 Jiaoda High Energyの創設者である王時明氏は次のように述べた。「3Dプリントバッテリー技術の世界的先駆者であり、電力バッテリー製造プロセスの変革者であるJiaoda High Energyの評価額は、今後3年間で100億ドル以上に達すると予想されています。Jiaoda High Energyのビジョンは、デジタルインテリジェント製造を通じてカーボンニュートラルを実現することです。」

6Kとアルベマールが持続可能なリチウム電池材料で協力

2022年1月14日、3Dプリント材料の専門開発企業である6Kは、世界的な化学企業であるAlbemarle Corporationと、主に新しいリチウムイオン電池材料の製造に関する共同開発契約を締結しました。このコラボレーションは、工業用粉末を生産するための持続可能な材料生産プラットフォームである 6K の特許取得済み UniMelt テクノロジーによって実現されます。

6K の UniMelt システムは、フライス加工、旋削、その他のリサイクル廃棄物を使用可能な 3D 印刷材料に変換するように設計された特許取得済みのマイクロ波プラズマプロセスで動作します。同社は2021年4月にエネルギー部門6K Energyの新しい先進センターを設立した際、すでにUniMelt技術を転用してリチウムイオン電池材料の開発に取り組んでいた。 6Kは、従来の16GWhバッテリーカソード生産工場を同等のUniMelt生産施設に置き換えれば、CO2排出量を70%削減できると指摘した。水の消費量も 90% 削減され、廃水の発生は完全になくなり、必要な工場スペースも 50% 削減されます。

△3Dプリント材料製造工場のUniMeltシステム。マサチューセッツ州ノースアンドーバーにある6K△6Kアドバンストバッテリーセンターからの写真。写真提供：6K。
要約する

一般的に、Antarctic Bearは、わが国の3Dプリントバッテリーの開発はまだ比較的弱いレベルにあると考えていますが、ヨーロッパのBlackstoneや米国のSakuuなどの3Dプリントバッテリーメーカーはすでに工業化生産の道を歩み始めており、より大規模に発展しつつあります。これは、国内のバッテリーメーカーにインスピレーションを与えています。3Dプリントバッテリーの技術研究開発は差し迫っており、関連する出力結果をタイムリーに変換し、できるだけ早く商業生産の道に進むことで、バッテリー業界の今後の課題に対応し、バッテリーセルのサプライチェーンを確保し、より多くのグローバルバッテリー市場を占める必要があります。

参考文献:

[1] 3Dプリント固体電池、KeraCelが日本の自動車部品メーカー武蔵から投資を受ける - 南京雄3D印刷ネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com） [2] バッテリー3D印刷技術！ Sakuuは電気自動車の開発を推進 - Nanjixiong 3D Printing Network - Platform (nanjixiong.com) [3] 3Dプリントされた固体電池を推進！ Sakuu Corporationの3つの新規特許の分析 - Nanjixiong 3D Printing Network - Platform (nanjixiong.com) [4] 3Dプリントバッテリー事業を拡大！ブラックストーンの子会社が米国で株式を公開する予定 - 南吉雄3D印刷ネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com) [5] Sakuúが3Ahリチウム固体電池を3Dプリント - 南吉雄3D印刷ネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com) [6] 固体電池の新時代！ Sakuuの新しい3Dプリント固体電池試験施設は、最大2.5メガワットの生産能力を備えています - Nanjixiong 3D Printing Network - Platform (nanjixiong.com) [7] Sakuuは、2023年に完全に3Dプリントされた固体電池を発売する予定です。 - 南京雄3Dプリンティングネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）[8] BLACKSTONEは、3Dプリントされたナトリウムイオン電池が2025年にバスに使用されると発表しました。 - 南極熊3Dプリントネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）[9] Photocentricは、自動車用燃料電池をカスタマイズするための3Dプリントバッテリー研究部門を設立しました - 南極熊3Dプリントネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）[10] Protolabsレポート：ヨーロッパのバッテリー企業の82％が来年中に3Dプリント機能を向上させる - 南極熊3Dプリントネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）[11] 3Dプリントされたバッテリー電極が新エネルギー車の開発を促進 - 南極熊3Dプリントネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）[12] 画期的な3Dプリント固体電池！ブラックストーンのリン酸鉄リチウム正極技術はコバルトやニッケルを必要としない - 南極熊3Dプリントネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）[13] 3Dプリントバッテリー事業を拡大！ブラックストーンの子会社が米国で株式公開を計画 - 南吉雄3D印刷ネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com) [14] エネルギー密度が2倍になった3Dプリント固体電池が登場、ブラックストーンが次世代の電気自動車技術をリード - 南吉雄3D印刷ネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com) [15] ブラックストーンが3Dプリント固体電池を開発 - 南吉雄3D印刷ネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com) [16] 3Dプリント電池技術会社 Jiaoda High Energy が100万人民元のシードラウンド資金調達を完了 - 南吉雄3D印刷ネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com)
[17] 6Kとアルベマールが持続可能なリチウム電池材料の開発で協力 - 南吉雄3Dプリンティングネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）

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