鄭州大学 Mater.Today レビュー: 直接書き込み 3D プリントエネルギー貯蔵デバイス

近年、電池やスーパーキャパシタなどの電気化学エネルギー貯蔵デバイスの研究が急速に進歩しています。研究者たちは多くの高性能電極材料を開発してきましたが、従来の電池組み立て技術の使用により、その性能向上はある程度制限されていました。さらに、従来の技術では集積回路と電力システムを直接統合することは困難です。 3D プリント技術は、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの性能をさらに向上させ、迅速に統合するための実現可能なソリューションを提供します。

さまざまな 3D 印刷技術の中でも、直接書き込み (DIW) 3D 印刷は、人工的に制御可能な階層型多孔質電極構造を柔軟に作成してデバイスの表面エネルギーと電力密度を向上させることができるため、高性能電気化学エネルギー貯蔵デバイスの作成に非常に適しています。同時に、DIW 3D 印刷技術には高い要件が課せられます。そのため、スラリーの各種成分の選択原理や方法、電極や調製プロセスの最適化など、3Dプリンティングのさまざまな要素がデバイスの性能に影響を与える理由を研究・分析するとともに、特定の電気化学エネルギー貯蔵デバイスを組み合わせて、3Dプリンティングがデバイスの性能に及ぼす具体的な影響のメカニズムと結果を議論する必要があります。これにより、3D プリントされた電気化学エネルギー貯蔵デバイスの性能をさらに向上させるためのアイデアが提供され、また、いくつかの特殊なアプリケーションシナリオにおける将来の DIW 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスの基礎も提供されます。

最近、鄭州大学の王葉教授とシンガポール工科デザイン大学の楊慧英教授が協力し、「直接インク書き込み3Dプリントエネルギー貯蔵デバイス：材料選択、設計、最適化戦略から多様なアプリケーションまで」と題するレビュー記事をMaterials Todayに掲載しました。この記事では、スラリー成分の選択に対する DIW 3D 印刷技術の要件、3D 印刷エネルギー貯蔵デバイスの設計原理と最適化戦略について体系的に説明し、DIW 3D 印刷エネルギー貯蔵デバイスの最新の進歩と研究状況をまとめます。この論文の筆頭著者は、2019年修士課程の学生であるヤン・ジンです。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.03.014
DIW 3D プリントされたエネルギー貯蔵デバイスの電気化学的性能は、スラリー構成、準備プロセス、デバイス構造、多孔性/曲がり具合、パッケージングなど、多くの要因の影響を受けます。デバイスの性能を向上させるには、各部品を設計し最適化する必要があります。この記事では、レオロジー特性、溶媒、骨格材料/活性物質、接着剤/添加剤/充填剤などの観点から検討および最適化する必要がある DIW 3D 印刷スラリーについて具体的に紹介します。準備プロセスには、印刷パラメータ (空気圧、針のサイズ、針の高さ、印刷速度) と後処理 (凍結乾燥、アニーリング、エッチングなど)、デバイス構造/電極パターン、電極の多孔度と曲がり具合、パッケージングが含まれ、いくつかの一般的なパラメータと例が示されています。次に、リチウム/ナトリウムイオン電池、リチウム硫黄/セレン/酸素電池、リチウム/ナトリウム金属電池、ニッケル鉄電池、亜鉛空気電池、亜鉛イオン電池、スーパーキャパシタなど、さまざまな 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスについて、3D プリントがデバイス性能に与える影響のメカニズムについて詳しく説明します。

図 1. DIW 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスの開発。図 2. さまざまな DIW 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスとその性能に影響を与える要因。この記事では、近年の DIW 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスの研究の進歩を体系的に紹介します。焦点は、3D プリントのさまざまな要素を通じてエネルギー貯蔵デバイスの性能にどのように影響を与えるか、また、最適化を通じてイオンと電子の移動速度を加速し、表面ダイナミクスを改善して速度性能と表面エネルギー密度を向上させる方法について議論することにあります。 DIW 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスの分野では急速かつ刺激的な進歩が見られますが、将来的に電気化学的エネルギー貯蔵を改善するために 3D プリントをさらに推進するには、まだいくつかの課題が残っています。本稿では、原理、材料の選択、設計と最適化戦略、さまざまなアプリケーションの観点から問題と課題を分析および議論し、DIW 3D プリントエネルギー貯蔵デバイスの将来の研究とブレークスルーに期待を寄せています。

参考文献

Jin Yan、Shaozhuan Huang、Yew Von Lim、Tingting Xu、Dezhi Kong、Xinjian Li、Hui Ying Yang、Ye Wang、Materials Today、直接インク書き込み3Dプリントエネルギー貯蔵デバイス：材料選択、設計、最適化戦略から多様なアプリケーションまで、2022年、

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