3Dプリントされた「植物」電池：リサイクル可能でより効率的

出典: 科学技術労働者のホームページ

英国グラスゴー大学（UOG）が率いるチームは、植物のデンプンとカーボンナノチューブを電極材料として使い、3Dプリント技術を用いて新しいタイプのリチウム電池を製造した。これにより、モバイルデバイスに、より環境に優しく、より大容量の電源が提供されます。関連する研究結果はPower Supply Magazineに掲載されました。リチウムイオン電池は軽量、コンパクトでサイクル性能に優れているため、ノートパソコン、携帯電話、スマートウォッチ、電気自動車の電源として最適です。リチウムイオン電池には、コバルトリチウム、酸化マンガン、またはリン酸鉄リチウムでできた正極と、金属リチウムでできた負極が含まれています。充電プロセス中、リチウムイオンは電解質を通って正極から負極に流れます。放電中、イオンは反対方向に流れ、電気化学反応を通じてエネルギーを生成し、デバイスに電力を供給します。
多孔質構造の微視的形態（左）と電極サイクルの厚さは、リチウムイオン電池のエネルギーの貯蔵と放出に影響を与える主な物理的要因の 1 つです。厚い電極は、電極上のリチウムイオンの拡散効果を制限し、それによってリチウムイオン電池の比エネルギーを制限するだけでなく、電池の歪み許容度を低下させ、ひび割れによる故障が発生しやすくなります。

UOG が設計したバッテリーは、ナノスケールの微細孔を導入することで、電極サイズと電極表面積の間のより良いバランスを確立することを目的としています。同じ外形寸法の固体電極と比較すると、微多孔電極の表面積は大幅に増加します。この目的のために、研究者らは3Dプリンティング（積層造形法とも呼ばれる）技術を使用して、電極上の微細孔のサイズと位置を正確に制御しました。 3Dプリントの原料は主にポリ乳酸、リン酸鉄リチウム、カーボンナノチューブです。中でもポリ乳酸はトウモロコシデンプン、サトウキビデンプン、ビートデンプンから加工される生分解性素材で、電池のリサイクル性を効果的に向上させます。

研究者らは、異なる厚さ（100、200、300マイクロメートル）、異なる材料の組み合わせ（3％～10％のカーボンナノチューブ含有量）、異なる微細多孔度（10％～70％）の円形電極の性能をテストした。結果によると、厚さ300ミクロン、微細多孔度70%の電極が最高の性能を示し、比エネルギーは151mAhg-1で、同じ厚さの固体電極を使用した従来のリチウムイオン電池の容量の約2～3倍です。この最適化方法は、電極の厚さによって生じる問題も解決します。 100ミクロン厚の電極と比較すると、300ミクロン厚の電極の蓄電容量は158%増加しました。

論文の著者でありプロジェクトリーダーでもあるシャンムガム・クマール博士は、次のように語っています。「リチウムイオン電池は私たちの日常生活の重要な一部となっています。電化と持続可能な開発の深化に伴い、その重要性は今後も高まり続けるでしょう。しかし、リチウムイオン電池自体の持続可能性の問題も無視できません。本研究では、3Dプリント技術を使用して電極の微細多孔性を正確に制御し、既存のリチウムイオン電池の欠点をある程度補いました。この微細構造電極材料の潜在的な用途を引き続き探究し、より優れた性能とより簡単なリサイクル可能なリチウム電池を開発したいと考えています。」

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