革新的なエネルギー貯蔵技術：新エネルギー電池分野におけるマイクロナノ3Dプリントの応用展望

世界的なエネルギー構造の最適化とクリーンエネルギーへの変革を背景に、急成長を遂げる新たなエネルギー貯蔵市場は、経済成長と技術革新を推進する重要な原動力となっています。同時に、高精度かつ高品質の製造特性を備えた3Dプリント技術は、複雑な構造を迅速に準備し、研究開発サイクルを効果的に短縮し、バッテリーコンポーネントの空間構成を最適化することができます。この技術の革新的な応用は、徐々に電池製造業界の変革とアップグレードを推進する中核的な力となりつつあり、我が国の電池産業の持続的な繁栄と健全な発展に新たな原動力を注入しています。

Grand View Researchのレポートによると、世界のバッテリー市場は2023年に1,182億米ドルに達し、2024年から2030年の間に市場は年間複合成長率16.1%を維持すると予測されています。電気自動車の導入拡大と再生可能エネルギーインフラの継続的な拡大が相まって、市場の急速な成長を促進しています。持続可能性に向けたエネルギーの移行により、効率的かつ経済的なエネルギー貯蔵ソリューションに対する強い需要が生まれています。世界各国の政府は、電気自動車の普及と再生可能エネルギーの徹底的な開発を促進するための政策やインセンティブを積極的に導入しており、これによりバッテリー市場の成長の勢いがさらに加速するでしょう。

新エネルギー電池の研究開発においては、継続的な設計検証と性能テストが必要です。 3D プリント技術により、必要な複雑な構造のプロトタイプを迅速に作成できるため、金型を開くコストと時間の無駄を回避でき、R&D 担当者は短時間で物理的なサンプルを入手し、さまざまな性能テストと検証を実施できます。これにより、研究開発サイクルが大幅に短縮され、製造プロセスにおける中間リンクが削減され、生産効率と歩留まりが向上し、新製品の導入が加速されます。

マイクロナノ 3D プリンティング技術は、精密で複雑な部品を効率的に製造し、単品または小ロット生産のニーズに柔軟に対応し、高密度の部品レイアウトを実現します。以下では、MCFのマイクロナノ3Dプリンティング技術の応用効果をいくつかの具体的な事例を通して詳しく分析します。

01
マイクロナノ多孔質セパレーター

現在のエネルギー技術分野では、リチウムイオン電池（LIB）の急速充電を実現し、安定性を維持するための鍵は、電極間でのリチウムイオンの急速な移動にあります。ローレンス・リバモア国立研究所、カリフォルニア大学デービス校などの研究チームは、3Dプリント技術（nanoArch® S130、精度：2μm）を使用して多孔質ヘキサンジオールジアクリレート（HDDA）セパレーターの開発に成功し、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）/グラファイトフルバッテリーシステムでその電気的性能を検証しました。

この研究成果は、高エネルギー、高出力、長サイクル寿命のLIB向け3Dセパレーターの積層造形に新たな技術的道筋を提供するだけでなく、バッテリーセパレーター分野における革新的な開発のための強固な基盤を築くものでもあります。

出典: 10.1021/acsaenm.4c00438
02
金属マイクロ格子

湖南大学の段慧高教授、張冠華准教授、張先安らは、従来の亜鉛負極の最適化戦略を打ち破り、「多機能3D構造電極」という新しいアイデアを提案しました。nanoArch®P140（精度：10μm）と化学堆積/電着技術を使用することで、構造的および機能が統合された亜鉛負極の信頼性の高い製造を実現しました。

さらに、3D Ni-Zn マイクロ格子アノードとポリアニリン挿入酸化バナジウムカソードから組み立てられた完全なセルは、優れた電気化学的性能を示しました。整然とした 3D 貫通穴構造を持つこの導電性金属マイクロ格子は、他の高性能金属 (Li、Na、K、Mg、Al など) 電池の開発に新たなアイデアを提供します。

doi:10.1002/aenm.202003927
03
リチウム親和性酸化グラフェンのマルチチャネル構造

清華大学深圳国際大学院の周光民准教授と邱玲准教授らは、連続遠心鋳造法を用いて大面積の酸化グラフェン（GO）をリチウム金属のホストとして作製し、その後、3Dプリントテンプレートを用いて簡単なスタンピング法でその中に整列したマイクロチャネルを作製した。

GO マトリックスはリチウムのメッキ/剥離挙動を効果的に制御し、整列したチャネルはリチウムイオンの流れを均等に分散し、短いリチウムイオン拡散経路を提供します。同時に、Li/多孔質GO複合材料は柔軟性があり、厚さを50～150μmの範囲で制御でき、対応する容量は9.881～27.601mAh cm-2です。研究チームは、nanoArch® S140（精度：10μm）を使用してマイクロカラムモールドを印刷し、スタンピング成形と組み合わせてチャネルが均一に配置された酸化グラフェン構造を作成することに成功し、高性能電極と完全なバッテリーの製造を容易にしました。

ドイ:10.1002/adfm.202200682
世界のエネルギー情勢に影響を与える重要な要素の 1 つとして、新しいエネルギー貯蔵技術の開発方向は、エネルギー戦略の全体的なレイアウトに直接関係しています。現在の世界的なエネルギー転換を背景に、世界の新エネルギー技術のグリーン、低炭素、インテリジェント、高効率、多様化の発展の潮流に遅れを取らないために、すべての業界は、クリーン、低炭素、安全、効率的な現代エネルギーシステムの中長期ビジョンと目標を科学的に計画し、構築する必要があります。したがって、マイクロナノ3Dプリントなどの最先端のハイテク技術を積極的に活用し、それを産業発展ロードマップと組み合わせて技術研究開発と産業革新を導くことが、新エネルギー貯蔵の新たな段階への転換を促進する鍵となる可能性があります。

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