3Dプリント電池の技術、材料、応用の展望

3Dプリント電池の技術、材料、応用の展望
Antarctic Bear 概要: 付加製造 (AM) により、複雑な形状のバッテリー材料を製造できます。 バッテリーコンポーネントをあらゆるフォームファクターで製造できる場合、より優れた電力密度、より軽量、より優れた機械的安定性を備えた電極構成を作成できるようになります。この号では、バッテリー関連の 3D 印刷技術の進歩の概要を示し、印刷方法と材料、関連する利点と課題、完全な 3D 印刷バッテリーを実現するための方向性、およびその潜在的な用途について説明します。
高いエネルギー密度と電力密度、長寿命を実現するバッテリー技術は、再生可能エネルギーや電気自動車のグリッドストレージなど、新たな持続可能性の推進力となる可能性があります。セル内のバッテリー材料の配置は性能に影響し、活性材料の量と品質は達成可能なエネルギー密度を決定し、リチウムイオンと電子の輸送軌道はレート性能に影響します。バッテリーのサイクル寿命は、サイクル中の電気化学的および機械的不安定性の下での化学的および構造的安定性に依存します。これらの考慮事項を考慮すると、バッテリーの全体的なパフォーマンスを最適化するには、バッテリー コンポーネントの物理的な寸法を制御することが重要です。 3D プリンティングとも呼ばれる付加製造 (AM) は、複雑なバッテリー形状を製造できる強力な層ごとの製造技術のセットです。
バッテリーの基本的なフォーム ファクターは、バッテリー材料の特性、それらの組み合わせ、およびアプリケーションの要件によって異なります。最も一般的かつ重要な要素は、電極/電解質の構成によって決定されるリチウムイオンの軌道です。電子輸送の軌道は、バッテリーの速度性能に影響を与えるもう 1 つの重要な要素です。グラファイトや金属電極 (Li、Sn、Ag など) などの導電性電極への影響は小さくなりますが、通常は導電性添加剤を必要とするチタン酸リチウム (LTO) やカソード材料などの絶縁材料では、速度制限要因になる可能性があります。 3D プリントされた電極または電解質は、サイクル中のリチウム化による変形に対応して電極を機械的に安定化し、材料の破損を防ぐことができます。これは、シリコン、リチウム、硫黄などの高容量のさまざまな電極を含む次世代バッテリーにとって重要です。表 1 は、構造特性を含む既存の電池電極のさまざまなフォーム ファクターと制御機能を示しています。これらのアプローチの中で、3D プリンティングは他の製造方法よりも電極フォームファクターをより細かく制御できるため、バッテリー性能の優れた調整が可能になり、先駆的なフルセル アーキテクチャの実現可能性が高まります。
表 1: 電極構造を設計するための現在のアプローチの概要。
3D プリント バッテリー方式の概要<br /> Antarctic Bearによると、インク直接書き込み、材料噴射、バインダー噴射、粉末床融合、指向性エネルギー堆積、テンプレート支援堆積、層状オブジェクト製造など、3Dバッテリー電極を製造できる3D印刷技術プロセスは多数あるという。
このセクションでは、バッテリー電極の製造に使用される最も一般的な 3D 印刷技術のいくつか（インク直接書き込み、熱溶解積層法、バット光重合法、選択的レーザー焼結法）について説明します。図 1 はこれらの技術の概略図を示しており、表 2 は各アプローチを使用して作成されたバッテリーのいくつかの例の概要と比較を示しています。各テクノロジーの利点、制限、機会については以下で説明します。
図 1: バッテリー材料の製造に使用される一般的な AM 技術の概略図。(a) 熱溶解積層法、(b) 選択的レーザー焼結、(c) 直接インク書き込み、(d) バット光重合が含まれます。一部の方法では、オーバーハングしたフィーチャを印刷するためにサポート (図示せず) が必要になります。

表 2: 一般的な積層製造方法を使用して製造されたバッテリーの概要。
電極材料：LTO = Li4Ti5O12、LFP = LiFePO4、LMO =LiMn2O4、NVP = Na3V2(PO4)3、GO = 酸化グラフェン、CNT = カーボンナノチューブ、MWNT = 多層カーボンナノチューブ、NCA =LiNi0.80Co0.15Al0.05O2、PP = ポリプロピレン。電解質組成: EC = 炭酸ビニル、DMC = 炭酸ジメチル、PVDF = ポリフッ化ビニリデン、HFP = ヘキサフルオロプロピレン、DOL = 1,3-ジオキソラン、DME = 1,2-ジメトキシエタン、PLA = ポリ乳酸。 DEC = ジエチルカーボネート、VC = エチレンカーボネート、PC = プロピレンカーボネート、FEC = フルオロエチレンカーボネート、PEO = ポリエチレンオキシド、EMC = メチルエチルカーボネート、PEGDA = ポリエチレングリコールジアクリレート。 a該当する場合、フィーチャ サイズは後処理手順の後に報告されます。 FDM および SLS 技術の特徴サイズは、報告された層の厚さです。 b 特に記載のない限り、電解質混合物は 1:1 (v:v) でした。 c 最初のサイクルの重力放電容量は、入手可能な場合は報告され、活性物質の質量に正規化されます。利用可能な場合は、バッテリーの全容量が報告されます。
インク直接書き込み
モーション制御ノズルを介した直接インク書き込み (DIW) 押し出しは、3D 印刷電気化学デバイスで最も一般的な戦略です。 DIW は、活性物質粒子を溶剤および結合剤と混合してせん断減粘インクを形成し、高せん断力下で押し出しても押し出し後も安定した状態を保つことにより、さまざまな材料を簡単に製造することを可能にします。有機溶剤やバインダーは通常、加工後の熱処理で除去されます。押し出し法は、リチウムイオン電極としてのLFPおよびLTO、Li-Sカソードとしての硫黄複合体、Li-O2カソードとしての多孔質グラフェン酸化物、およびNaイオン電極としてのNa3V3(PO4)3複合体を含む電極の3Dプリントに使用されています。押し出された電極の最小特徴サイズは、活性物質インクを押し出すためのノズルのサイズによって制限されますが、後処理によって変更できます。最適化されたシステムでは、ポリ電解質インクがアルコールと水のプールに堆積され、直径が 0.5～1 μm 程度のノズルを備えた DIW によって、直径が 600 nm ほどの小さな柱を製造できることが示されており、柱の間隔は柱の直径とほぼ同じです。特に、これらの最適化された高分子電解質インクには固体材料が一切含まれておらず、最小直径のノズルを通過するときにインクの粘度を最小限に抑えるように最適化されています。
DIW には、低コスト、実験の簡便性、幅広い材料を利用できるなど、3D プリント電極にとって魅力的な特徴が数多くあります。しかし、活性物質粒子を DIW インクに添加すると、課題が生じます。バッテリー活性材料を追加するとインクの粘度が増加する傾向があり、より大きなノズルとそれに応じてより大きな特徴サイズが必要になります。 例えば、Sun らは、LFP インクと LTO インクを 30 μm のノズルから押し出し、約 30 μm の特徴サイズと 57～60 wt% の質量負荷を実現しました。しかし、3D 印刷電極用の他の多くの DIW 方法では、固体質量負荷が高い場合、150 μm 未満のフィーチャ サイズを実現できません。 DIW のこれらの固有の制限により、利用可能なフィーチャ サイズが制限され、DIW インクのレオロジー特性と印刷された電極の電気化学特性のバランスを取る必要性が強調されます。さらに、DIW で実現できる 3D 構造の種類は限られており、ほとんどの研究でウッドパイル形状または「2.5D」構造が報告されています。この場合、印刷された構造の各層は同一であり、前の層の上に直接配置されます。 DIW によって製造されるこのような構造は、特にインクがすぐにまたは完全に固まらない場合は、複数の層を積み重ねる構造上の制約により、通常、高さが制限されます。この欠点は、印刷後にホットプレートを使用して溶剤を蒸発させ、印刷の忠実度と構造的完全性を向上させるなど、インクの急速な凝固を促進するように印刷環境を変更することで、部分的に緩和できます。
熱溶解積層法（FDM）
個人用 3D プリンターで非常に一般的な方法は、フィラメント押し出し 3D 印刷方法である熱溶解積層法 (FDM) です。 FDM プロセスでは、熱を使用してフィラメント (通常は熱可塑性) を柔らかくし、ノズルから押し出します。この材料は印刷後に冷却することで固まります。 LIB用途では、グラファイト、LTO、LFPなどの活物質を含む複合フィラメントが開発されており、活物質の割合は最大70%に達します。 FDM の実際のアプリケーションでは、印刷性と機械的完全性を維持しながら、より高い活性材料比率が必要になります。電気化学アプリケーションにおける FDM のもう 1 つの欠点は、通常約 150 ミクロンの層厚しか達成できない 3D プリントの解像度です。この解像度は、イオンおよび電子輸送に適したスケールでの 3 次元構造の最適化を妨げる可能性があります。
バット光重合（VP）
3D バッテリー電極を製造するための DIW の魅力的でありながら十分に活用されていない代替手段は、バット光重合 (VP) です。 VP 3D プリンティングでは、光増感剤と呼ばれる液体感光性モノマーが入った容器内で光開始重合によって部品が形成されます。ステレオリソグラフィーやデジタル光処理などのこのクラスの技術は、高解像度 (<50 μm) と高スループット (最大 100 L/h) で部品を製造できるため、有望です。 2光子リソグラフィーは、100ナノメートルまでの非常に高い解像度を実現できる関連技術ですが、そのスループットは実用化には遅すぎます。 VP は、ポリマー材料、一部のセラミックス、複合材料の製造に広く使用されています。 VP 3D プリント バッテリー材料の主な課題は、この技術と互換性のある利用可能な材料が不足していることです。
VP は、低コストで処理が容易で、高解像度のバッテリー材料を印刷する方法を提供しますが、吸引力と接着力を最小限に抑えるために低粘度のフォトレジストが必要です。 VP を使用して電気化学的に活性な材料を製造する場合、活性材料または前駆体を樹脂に導入する標準的な方法には、フォトレジストに分散した活性材料のスラリーまたは懸濁液を使用することが含まれます。これにより、フォトレジストの粘度が増加します。樹脂スラリーの生成を減らすための新しい戦略としては、光増感剤を熱分解炭素などの活性物質に直接変換することや、活性物質の前駆体が溶解した均質水性光増感剤を使用することなどが挙げられ、これは 3D LCO カソードの製造に使用されています。また、活物質/前駆体は水相の形でフォトレジスト中に分散されており、3D複合Li2S-C構造を作成するために使用できます。固化した感光性樹脂は、不活性雰囲気での熱分解や低圧空気雰囲気での焼成などの後処理を通じて活物質に変換でき、小さなフィーチャサイズ（約30μm）の活物質構造を十分に緻密化できます。その他の VP アプローチでは、3D プリントされたポリマー基板上にバッテリー活性材料を堆積します。
これらの VP 方法の重要な利点は、製造された電極が他の方法で製造された電極よりも小さな特徴サイズとより複雑な形状を持つことができることです。これにより、電極と電解質の拡散長が短縮される可能性があります。しかし、電極が小型化し、形状が複雑になるにつれて、セルの組み立てや電解質および対電極との統合に関連した課題が生じます。さらに、VP は、ここで説明したすべての AM 技術の中でも、樹脂設計に対する材料要件が最も厳しいものの 1 つです。感光性樹脂には、紫外線にさらされるとフリーラジカルを生成する光開始剤や、印刷プロセス中に紫外線がビルド層を超えて透過するのを防ぐ紫外線遮断剤などの光活性分子も含まれています。これらの追加成分を加えると、熱処理後に望ましくない汚染が発生する可能性があります。 VP を使用したバッテリー製造の例は比較的少ないため、構造の相対密度、材料の純度、解像度の向上を目標として、新しい VP 材料システムを探索する絶好の機会があります。
選択的レーザー焼結（SLS）
選択的レーザー焼結法 (SLS) は、バッテリー用途に使用されるもう 1 つの 3D 印刷方法です。 SLS は、高エネルギーレーザーを粉末の層に選択的にスキャンし、粉末材料を焼結して層ごとに 3 次元構造を作成します。スラリーベースの 3D 印刷 (DIW を含む) と比較すると、このプロセスでは通常、バインダーや溶剤が不要になるため、印刷された部品内の活性材料の割合が高くなり、バインダーや溶剤を除去するための後処理時間が短くなります。 SLS は金属や合金の構造材料に使用されており、最近ではエネルギー貯蔵材料にも応用されています。 Acord らは、SLS を使用して、電気化学的に活性な層状構造を維持しながらリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物 (NCA) カソードを統合し、印刷中の不均一な熱体積変化によって引き起こされる亀裂形成と不連続性を軽減するためのプロセスパラメータを調査しました。 Shaらは、CO2レーザーを使用してニッケルとスクロースの混合物を選択的に熱分解することにより、3Dグラフェンフォームを実証しました。 SLS 技術を使用して 3D アーキテクチャのバッテリー材料を実証するには、高温の熱スキャン条件下での亀裂、位相、および空隙の制御など、課題が残っています。SLS は、接着剤を必要とせず、後処理時間を短縮して 3D コンポーネントを提供できる有望な方法です。
3D プリント バッテリーの課題、機会、レポートの標準化<br /> バッテリーに適用される 3D 印刷技術は、印刷能力、解像度、および活性物質の質量負荷のバランスをとるという課題に直面しています。報告されている技術は、既存の市販バッテリーよりも高いエネルギー密度と電力密度を提供するために必要なこれらの要素のレベルをまだ満たしていません。さらに、実際のバッテリーアプリケーションのコスト、製造可能性、安全性を評価するには、3D プリント バッテリーの評価が必要です。 3D プリントされたバッテリーに欠けている部品は、集電体、セパレーター、パッケージングなどの電気化学的に不活性な材料です。これらの材料は、市販のバッテリーと同様の小さなスケール（1～10マイクロメートル）で統合または印刷する必要があります。
AM 3D バッテリーの分野が成熟するにつれて、新しく報告された文献の公平な比較と文脈を確保するために、バッテリー性能の報告を標準化することが必要になります。この必要性は表 2 の要約からわかります。一部の論文では、容量が報告されていないか、面積または体積容量としてのみ表現されています。面積容量は重要な指標であり（厚い三次元バッテリーの場合、多くの場合、印象的です）、基本的な電気化学性能の低さを隠す効果があります。バッテリー コミュニティでは、バッテリーのパフォーマンスが仕事の重要な側面である場合に完了する必要がある「バッテリー チェックリスト」を通じてレポートを標準化しています。表 3 では、3D AM バッテリーの標準的なレポート メトリックに関する推奨事項を示します。これにより、透明性が高まり、有用なバッテリー設計とアーキテクチャに向けて業界が導かれます。
表 3: 3D バッテリーの推奨レポート メトリック。
完全な3Dバッテリーに向けて
完全に 3D プリントされたバッテリーの建築設計<br /> 3D バッテリー設計の一般的なアプローチは、イオンと電子の輸送距離を短く保ちながら、バッテリーの容積負荷を最大化することで、より高いエネルギー密度と電力密度を達成することです。 2004 年に、Long らはいくつかの有望な 3D バッテリー アーキテクチャについて議論しました。従来の2次元層状電池から拡張して、非整合プレート構造、非整合ロッド構造、内部充填ロッド状骨格、内部充填周期的かつ相互接続された構造の4つの異なる3次元アーキテクチャ設計が提案されています[図2(a)-(d)]。最初の 3 つのアーキテクチャの設計は、実験室規模で実証されています。最先端の棒電極 3D バッテリーのほとんどは、無機固体電解質のコンフォーマルコーティングと対向電極スラリーの高密度充填の課題により、単一の柱状電極の製造に制限されています。
図 2: 将来のバッテリー 3D 構造には、(a) インターディジタル ロッド、(b) インターディジタル プレート、(c) フィラー ロッド、(d) 非周期的スポンジが含まれます。 (e) 自動ジオメトリジェネレータと輸送オンラインモデルを使用して3D多孔質電極モデルを構築した。
計算作業により、さまざまなアーキテクチャが評価され、最適な 3 次元設計が実現されました。スタッガードロッド、スタッガードプレート、周期グリッド、3 層ロッド、ジャイロスコープ、シュワルツ P 最小面などの実験的に証明された構造に対して数値計算を実行します。 3D 構造の計算最適化は、基本構成の構造要因を変更することによって実行されますが、単純な建築設計における 3D ジオメトリの最適化に限定され、3D バッテリーの巨大な構造空間を十分に探索することはできません。宮本らは最近、スタッガード構造を扱わず、自動ジオメトリジェネレータと伝送線路モデルを使用して、内部抵抗と体積負荷を出力する最適化された非周期構造を作成する3D多孔質電極最適化モデルを開発しました[図2(e)]。 3D プリントによってのみ実現可能な革新的なアーキテクチャを発見し評価するには、3 次元形状を探索するモデ​​ルのさらなる開発が必要です。
完全3Dバッテリー用の3Dプリント電極
バッテリー電極の 3D プリントは、リチウムを追加したときに体積変化が非常に小さいため、長い耐用年数と十分な機械的完全性が得られるという利点があるため、よく使用されます。 Sunらは、リン酸鉄リチウム（LFP）とLi4Ti5O12（LTO）をそれぞれ正極と負極の材料として使用したサンドイッチ電池を実証した[図3(a)]。 LFP 電極の体積はリチウム化および脱硫中に変化しませんが、LTO は約 2.2% の線形膨張と収縮しか起こりません。この研究は、3D プリンティングが、DIW 用の LFP または LTO ナノ粒子を含む印刷インクを使用して、数十マイクロメートル規模の微細機能を備えた 3D バッテリーを製造できる強力な技術であることを強調しています。 LFP と LTO の体積変化はほぼゼロであるため、バッテリー動作中にバインダー (または外部圧力) を必要とせず、印刷された構造を維持することができます。押し出しによるインターディジタル電極の製造に関連する課題の 1 つは、積層の高アスペクト比を実現することであり、そのためにはインクの組成を最適化する必要があります。どちらのインクも約 40wt% の有機成分を含んでおり、印刷後に熱処理で除去されます。薄い板の大きな体積変化により電極板の変形がアスペクト比を制限するもう 1 つの要因であり、大きな変形により対向電極間の物理的接触が発生する可能性があるためです。対照的に、VP および熱変換プロセスによって作成されたバインダー/溶媒フリーの電極は、解像度が高く、機械的構造がより安定しているため、高アスペクト比と高体積率の活性材料の印刷が可能になります。
3次元非電気化学部品の製造<br /> 交互に配置された平面 3D バッテリーでは、幾何学的制約の範囲内で電解質の選択を考慮する必要があります。 Sun らの研究では、液体電解質がバッテリー パックに注入されました。対向するプレート間にセパレーターまたはその他の物理的な障壁がないと、バッテリーの動作中に短絡の問題が発生します。この安全性の問題に対処する 1 つの方法は、Wei らによって実証されたように、3D セパレーター層を印刷することです。しかし、3D 電極の形状はセパレータの製造方法によって大きく制限されます。電極板間に物理的な障壁を設ける別の方法は、無機固体電解質、ポリマー電解質、複合電解質などの固体電解質を使用することです。無機固体電解質を使用すると、熱処理によって電極スラリーやインク中の有機成分を除去することができます。寿らは、両面にハニカム状の穴を持つ固体電解質を実証した[図3(b)]。細孔に活物質スラリーを充填し、電池全体を熱処理して電極スラリー中の有機成分を除去します。 VP テクノロジーを使用すると、より複雑な 3D 形状を持つより薄い無機固体電解質を製造し、インターディジタル平面電池やその他の潜在的な 3D 構成に使用することができます。 Chenらは、マイクロステレオリソグラフィーによって3Dゲルポリマー電解質を付加的に調製し、ゲルポリマー電解質の両側の自由空間に電極混合物を充填して固化させた[図3(c)]。光重合 3D 印刷技術に基づいて、ポリマーとゲルポリマー電解質は 3D 構造に構築される大きな可能性を秘めています。 Chen らのアプローチの限界は、ゲルポリマー電解質が存在するため、熱処理を使用して電極混合物から有機成分を除去することができないことです。つまり、バッテリーの比容量が制限され、電極の電子伝導性が低くなります。あるいは、この方法の製造プロセスを逆にして、最初に VP 法で 2 つの交差平板電極を製造し、次にポリマーまたはゲルポリマー電解質の液体樹脂を電極表面に塗布して硬化させてから、セル全体を組み立てることもできます [図 3(d)]。ここで、ポリマーおよびゲルポリマー電解質は、複雑な形状の電極表面にコンフォーマルにコーティングすることができ、その場での重合により界面インピーダンスが比較的低くなるため、適切な選択肢となります。このプロセスでは、ポリマーをコーティングする前に熱処理を施すことで、電極混合物中の有機成分を完全に除去し、活物質の全体的な質量割合を高め、電極内の導電性を高めることができます。
図3: (a) DIWでLiFePO4 (LFP) カソードとLi4Ti5O12 (LTO) アノードを使用して形成されたインターディジタルプレートセル。 (b) 相互参照可能なハニカム孔を両面に有する固体電解質。再現については文献[42]を参照のこと。 (c) マイクロステレオリソグラフィーによって製造された 3D ゲルポリマー電解質。電極スラリーを充填すると互いに噛み合うことができます。 (d) インターディジタルプレート電極を作製し、その後硬化性電解質ゲルを充填することに基づくインターディジタル戦略の概略図。
3D構造電極は体積膨張による電池劣化を軽減できる<br /> 3D 電極が果たす役割としてあまり知られていないのが、Li、Ag、Si、S などの変換電極の大きな体積膨張によって引き起こされる劣化を軽減することです。 3D 印刷技術によって可能になるこれらの変形を軽減するための、有効長さスケールによって分類された 2 つの戦略を概説します。
最初の戦略は、体積変更電極、または集電体や電解質などのその隣接コンポーネントを 3D プリントによってマイクロメートル スケールで構築することです。マイクロアーキテクチャ構造は、銀やリチウムなどの塑性変形可能な金属電極に使用できます。直径約 50 μm、孔径 100～300 μm の 3D 格子銀電極が市販のエアロゾル ジェット 3D 印刷技術によって製造され、40 サイクル後もその構造を維持しました。 Shenらは、DIWを使用して、直径約350um、ブリッジ距離約500umのLiF格子スキャフォールドを3Dプリントし、スキャフォールドのLiアノードにリチウムマグネシウム合金を注入しました。周期的な LiF 構造により、Li メッキ/剥離中に電極が保護され、LFP をカソードとして使用したフルセルは、0.5C で 200 サイクル後に 98.4% の容量保持率を達成します。さまざまな孔径を持つ多孔質銅と直線孔を持つ木材由来の炭素を使用して、安定したリチウムめっきに効果的な多孔質構造が検証されました。これは、リチウムめっきを阻害するのに適した多孔質構造は、孔径が 1 ～ 100 μm の直線孔である可能性があることを示唆しています。興味深いことに、改良された二重電解質を使用して圧力下で銅箔上にリチウムを電気メッキ/剥離することに成功し、リチウム柱からなる 50 マイクロメートルの平面ドメインが作成されました。 3D プリント技術を使用してリチウム金属足場構造を体系的に研究することで、最適なリチウム足場構造をより深く理解することができます。内部にランダムな多孔質構造を形成する DIW の代わりに VP を使用することは、マイクロメートル スケールで足場としての構造の効果を調べるのに適した方法です。
ナノスケールでの機械的劣化を軽減するもう 1 つの戦略は、層状構造を組み込むことです。これは、S や Si などの脆性材料に適したスケールである可能性があります。たとえば、硫黄カソードでは、S がリチウム化されて Li2S が形成されると、その 80% の体積膨張により、絶縁性の Li2S がこれらのカソードで一般的に使用されている導電性炭素ホスト マトリックスから分離されます。硫黄電池の「耐膨潤性」構造の開発についてはいくつかの予備研究が行われていますが、これらのアプローチはスラリーキャスト電極の粉末とバインダーの特性を最適化することに依存しています。電極内で体積膨張と劣化が発生する長さスケールに合わせるために、樹脂 VP は機械的に強く、統合された 3D カーボン マトリックス内に Li2S の層状構造を提供します。もう一つの例はシリコンです。シリコンは理論容量が 4200 mAh/g と高いのですが、リチウムの導入により体積が最大約 300% 膨張します。シリコンのマイクロ/ナノパターン構造は急速な容量劣化を示し、200 サイクルで 60% の容量保持率となったのは、おそらく構造崩壊によるものと考えられます。 Moser らは、Si ナノ粒子を含む DIW インクと焼結プロセスを使用して、Si の階層的多孔質構造を開発しました。多孔質構造はリチウムイオンによって引き起こされる応力を軽減しますが、導電性が低いため、性能が大幅に低下します。代替アプローチとしては、Si ナノ粒子または Si 前駆体を VP 樹脂に組み込み、これらの前駆体を、3 次元的に規定された導電性と機械的に堅牢なカーボン ホスト内で熱的に Si-C コアシェル構造に変換することが挙げられます。
3Dプリント多機能バッテリー
3Dプリントされたバッテリーは、バッテリーと荷重支持部品の両方の役割を果たす多機能構造として機能し、衛星、宇宙船、電気自動車など、さまざまな用途に使用できる可能性があります。例えば、トーマスとキドワイは、無人航空機（UAV）では、耐荷重構造とバッテリー部品が総重量の20～40%を占めており、UAVの飛行時間を延ばすには、重量を減らすことがエネルギー密度を高めることの1.5倍効果的であると報告しました。もう 1 つの可能性は、電気自動車でより安全な化学物質 (NiMH など) を使用したバッテリー構造を使用して、走行距離を延ばし、コストを削減することです。初期の研究の多くは、パッケージ レベルでの機械的完全性の向上や、カーボン ナノチューブ (CNT) をバッテリー コンポーネントに統合することに重点を置いていました。もう 1 つのアプローチは 3D プリント、具体的には VP であり、非多孔性で相互接続された構造を実現します。 VP が製造する 3D 構造カーボンは構造的完全性に優れ、最大予圧縮応力は 27MPa で、6061 アルミニウム合金に匹敵します。さまざまな電池材料の3次元構造を機械的な観点からさらに最適化することで、多機能電池の開発が促進されました。
応用と展望<br /> 3D プリント バッテリーの潜在的な用途には、現在のバッテリー製造技術と比較して、珍しいフォーム ファクター、および高価値のエネルギーと電力密度の適切な組み合わせが必要であり、フォーム ファクターを正確に制御できます。対象市場には、モノのインターネット (IoT)、マイクロロボット、無人航空機 (UAV)、電動垂直離着陸 (eVTOL) などがあります。これらのアプリケーションでは、バッテリーセルのフォームファクターに制約が課せられますが、これは従来のロールツーロール製造では簡単には実現できません。特に、VP で製造された 3D カーボン電極などの機械的に弾力性のある 3D バッテリーは、多機能バッテリーとして機能することができ、より軽量なバッテリーや構造部品を必要とする航空宇宙用途で期待されています。 パッケージレベルで完全な 3D プリント バッテリーを実現する上で最も難しい課題は、バッテリー パックを含むすべてのコンポーネントの製造プロセスの互換性にあります。 3D の複雑な構造上のすべての部品が正確に一致する必要があるため、現在の商用製造方法と比較して、すべての部品を直接 3D 印刷することがコストと速度の点で望ましいです。複雑な構造に UV 硬化ポリマー電解質などのコーティングを施すことができる製造プロセスは、完全な 3D プリント バッテリーの鍵となります。さらに、パッケージレベルで市販の電池と同等のエネルギー密度を達成するには、体積を最小限に抑えた不活性材料を3次元の複雑な構造に組み込むことができる技術が不可欠です。
3Dプリント バッテリーのその他の潜在的な用途としては、バッテリー診断と電気化学的に再構成可能な材料があります。バッテリーの特性評価は、材料評価または市販のスラリー電極の特性評価に限定されます。パルプ電極はランダムな構造とセル間の差異があり、電極構造とそれがバッテリー性能に与える影響を理解するには複雑な構造分析が必要です。対照的に、3D プリントされたバッテリーは、定義済みで制御可能かつ規定されたフォーム ファクターを提供するため、バッテリー サイクルのレート パフォーマンスとバッテリー診断が容易になります。もう 1 つのアプローチは、電気化学的リチウム合金化によって誘発される 3D 再構成可能かつプログラム可能なアーキテクチャを作成することです。プログラムされた再構成を備えたマイクロアーキテクチャ設計によりバンドギャップエンジニアリングが可能になり、大規模な幾何学的変換により調整可能なフォノニック結晶と自己展開可能なマイクロデバイスへの道が開かれます。
全体として、3D プリントによって実現される柔軟なフォーム ファクターにより、インターリーブ電極構造の有無にかかわらず、イオンと電子の輸送軌道を最適化し、エネルギー密度と電力密度の間の従来のトレードオフを克服できます。 3Dプリンティングは、大幅なボリュームの変化を伴う材料の機械的に堅牢なアーキテクチャの設計や、バッテリー診断や再構成可能なデバイスなどの他のアプリケーションの有望な機会も提供します。いくつかの課題が残っています。活性材料の負荷分率を損なうことなく完全なセルを製造し、体積変化する材料の耐性を機械的な力に合わせて一致させる解像度を改善し、サイクル寿命を改善し、高い生産収量を達成します。これらの課題に対処することは、実用的に製造された高性能の完全な3次元バッテリーの設計と製造への道を提供します。
参照：Narita K、Saccone MA、Sun Y、et al
3Dプリントバッテリー、インク直接書き込み

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出典: 積層造形技術フロンティア2022年、西北工業大学の黄衛東教授のチームは、希土類酸化物強化ニッ...

想像から現実へ、映画・テレビ業界における3Dプリント技術の応用を共有

映画やテレビ番組の制作効果に対する観客の要求が高まり続ける中、3Dプリント技術は設計と制作のプロセス...

国内外の高品質な新素材プロジェクトが金陵に集結し、資本の「沸騰」を引き起こす

新材料産業の開放と革新の雰囲気を醸成し、世界の革新資源を最大限に活用し、強力な革新能力を持つ国家およ...

3Dプリンティングにおけるバイオベース複合材料の現状と開発

出典：中国複合材バイオマスベースの複合材料、またはバイオ複合材料は、2 つ以上の異なる材料（少なくと...