日本、3Dプリントによる完全固体電池製造を実現

日本、3Dプリントによる完全固体電池製造を実現
出典: 中国エネルギーネットワーク

東北大学の本間一夫教授と小林宏明助教は、3Dプリンターを使って全固体電池を作る技術を開発した。製造時に硬さを自由に変化できる素材を使用しています。このバッテリーはわずか数時間で製造でき、従来必要だった高温プロセスは必要ありません。試作した電池は各種性能試験に耐え一定の性能を有しており、全固体電池の早期実用化に貢献すると期待される。

電解液は電池の主要構成成分の一つで通常は液体ですが、全固体電池の電解液は固体であるため、火災事故のリスクが低くなります。この電池のもう一つの特徴は、電池を積み重ねることで単位体積あたりの蓄電量を増やすことができることです。純電気自動車(EV)の走行距離を延ばすことができる新世代のバッテリーとして期待されています。

開発された電解質膜はソフトコンタクトレンズと同等の柔らかさを持つ(写真提供:北斗大学)
全固体電池は、電極と電解質の材料を強く圧縮し、数百度に加熱して作られる方法が主流です。しかし、加熱処理にはコストがかかり、熱によるひび割れが生じる可能性があります。また、電解質が硬いため、充放電時に正極と負極が膨張と収縮を繰り返すため、両者が密着できず、電池性能が低下するという問題もあります。

研究チームは、全固体電池用の柔らかい電解質膜の製造に関する研究を行った。リチウムイオンの移動を促進する特殊な液体と酸化ケイ素を混ぜることで、ソフトコンタクトレンズと同様のガラス膜を形成できます。シリカの量を変えるだけで柔らかさを調整できます。

研究チームは今回、電解質膜に含まれる酸化ケイ素の量を半分に減らし、ゲル状態にした。その後、紫外線にさらされると固まる樹脂と混合され、3Dプリンターを使用して成形することができます。


電解質中の酸化ケイ素濃度を下げて電解質をゲル状にし、3Dプリンターで電池を製造する(写真提供:東北大学)
実験により、電解質、正極のコバルト酸リチウム、負極のチタン酸リチウムをゲル状の物質にすることで、3Dプリンターのみで電池を作製できることが確認されました。約2時間で制作できるそうです。材料を塗布して紫外線を照射するだけで作ることができ、高温加熱が不要なので製造コストを大幅に削減できます。柔軟な電解質はひび割れが発生しにくく、部品が膨張したり収縮したりしても柔軟に対応できます。

試作した電池は100回以上安定して充放電できる。火災試験などにより安全性も確認されています。本間教授は「データさえ入力すれば大きさや形は自由に変えられる」と話す。実用化に向けた課題は、電解質のイオン伝導性が十分に高くないことです。リチウムイオンはスムーズに移動できないため、瞬間的に大きなエネルギーを放出することが困難です。

研究チームはイオン伝導性の向上を目指して材料の組成を調整する予定。開発した電池を使って自動車を走らせる実験は成功しており、最高時速は30キロに達した。研究者らは出力を高めるための改良を重ね、純電気自動車への搭載も検討する。また、高エネルギー密度の正極材料の開発にも積極的に取り組んでまいります。

第一段階の目標は、センサーやウェアラブル端末の電源などの用途での実用化です。

バッテリー、エネルギー

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