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に貢献

この投稿は warrior bear によって 2021-5-18 22:12 に最後に編集されました。

はじめに: 従来のバッテリー電極は製造に金型技術に依存しており、外観デザインや複雑な形状の開発に大きな制限があります。 3D プリント電極の使用により、さまざまな形状のセル/バッテリーの新時代が到来し、バッテリーのエネルギー密度と性能も向上します。 2021年5月18日、Antarctic Bearは、Photocentricが光重合によるバッテリー電極構造の精密制御を実現し、新エネルギー車などの製品向けの新しいバッテリー形状の複雑さと軽量バッテリーパックへの扉を開いたことを知りました。

△新エネルギー車用バッテリーパック。写真提供: Photocentric
2020年11月、国務院弁公庁は「新エネルギー自動車産業発展計画（2021～2035年）」を公布し、新エネルギー自動車の開発に関する国家戦略を徹底的に実行し、中国の新エネルギー自動車産業の高品質かつ持続可能な発展を促進し、自動車強国の建設を加速することを要求した。今後の交通は新エネルギー車（EV）が主流になると言われており、新エネルギー車の中核となるのはバッテリーです。しかし、現在のバッテリー製造方法では、バッテリー性能を向上させる選択肢は限られています。

どれくらい制限がありますか?バッテリー電極は通常、活性物質のスラリーをスリップキャストでシート状に成形し、ポーチ型またはコイン型のセルを打ち抜いて、長方形または円筒形のケース内にセルを配置することによって作られます。この方法でより強力なバッテリーを製造するには、より厚い電極を作り、それらを積み重ねてより大きなバッテリーを作成する必要があり、この構成では問題のある部分に簡単に亀裂が生じる可能性があります。その結果、より優れた性能を追求すると、特定の製品に最適な効率や範囲を提供しない、より重くかさばるバッテリーパックが必要になることがよくあります。

Photocentric の化学部門責任者である Sarah Karmel 氏は、このようなバッテリー設計には柔軟性が欠けていると考えており、同社は現在解決策を模索している。英国を拠点とするステレオリソグラフィーベースの 3D プリンターのサプライヤーである同社は、電気自動車やドローンなどのバッテリー駆動製品用の電極を 3D プリントする可能性を模索しています。彼らは、あらゆる形状や構成で製造される付加製造電極が電気自動車に新たな扉を開き、充電速度の向上と軽量化を実現し、走行距離の延長につながり、こうした車両の開発における現在の制限を克服するのに役立つと信じている。
Photocentric の化学部門責任者、サラ・カーメル氏

最適化されたバッテリー電極構造のための3Dプリント

付加製造 (AM) はすでに他の業界やアプリケーションに幾何学的自由度をもたらしています。ジェット燃料ノズルが部品数 20 個から 1 個に減ったことや、従来の形状と溶接で重量が半分になった電気自動車の構造部品について考えてみましょう。バッテリーを 3D プリントする機能により、形状の自由度も高まり、従来のバッテリーパックに製品を無理やり合わせるのではなく、製品に合わせてセルとバッテリーパックを設計できるようになります。これは電気自動車の設計に新たな自由をもたらす可能性のある重要な変化ですが、これはまだ始まりに過ぎません。

カーメル氏は、EV バッテリーの柔軟性はセルやバッテリーパックの全体的な形状に限定されるものではなく、バッテリーセルを構成する電極自体、つまりアノードとカソードにより多くの設計の機会が見つかると考えています。 Photocentric は、アナログエンジニアリング分野のパートナーと協力することで、これまで不可能だった最適化された電極構造の設計と 3D プリントの能力を拡大しています。

△従来の電池電極構造（左）では、アノードとカソードの可能な構成が制限されます。 3D プリントされたアーキテクチャ (右) により、エネルギー密度を高めるサンドイッチ電極などの革新的な設計が可能になります。
「電極はさまざまな方法で連携し、これらの新しいアーキテクチャは、より小さく、より幾何学的に柔軟なスペースを占有できる、より高いエネルギー密度のバッテリーをサポートします」とカーメルは述べています。「たとえば、アノードとカソードをサンドイッチ状にすることで、スタック構成のバッテリーよりも高いエネルギー密度と効率を実現できます。」

3D プリントプロセスにより、電極の微細構造を変更してパフォーマンスを向上させることが可能になります。微細な多孔質構造によりイオンが移動するための経路が提供され、イオンの流れが増加し、体積エネルギー密度が向上します。その結果、より小型で軽量なバッテリーで同じ電力を実現できるようになり、車両や用途にぴったり合うようにさまざまな構成にすることができます。細孔が増えるとイオンが移動する経路も増え、バッテリー電極のエネルギー密度が向上します。

△ 3Dプリントされた電池電極の微細孔
光重合を利用した電池の製造

これらのバッテリーを 3D プリントするプロセスは、光重合プロセスを使用して他の部品を作成するプロセスと同様です。電極は、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 3D プリントされます。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。

フォトセントリック3Dプリンター
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。 Photocentric 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、そのため機械の稼働に必要なエネルギーが少なくて済みます。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。

この時点で、Antarctic Bear はこう尋ねずにはいられません。「実験室で機能するバッテリーを印刷することはできますが、デバイス内でそれがどのように機能するかが問題です。」 3D プリントされたバッテリー電極がうまく利用されれば、より軽量な新エネルギー車の基礎が築かれ、バッテリーパックのサイズを変えずに走行距離を延ばすことができます。あるいは、今日の大型で重いバッテリーアレイと同じ範囲を提供できる、より便利な形状と構成の小型バッテリーパック。南極熊は、この3Dプリント電極構造の実用化を期待しています。結局のところ、バッテリーの性能が向上すると、新エネルギー車の利用率が向上し、より環境に優しい輸送モードを示すこともできます。

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