カリフォルニア工科大学:DLP 3D 印刷技術で格子構造のリチウム電池電極を製造

カリフォルニア工科大学:DLP 3D 印刷技術で格子構造のリチウム電池電極を製造
2021年2月10日、アンタークティックベアは、カリフォルニア工科大学(Caltech)の研究チームがリチウムイオン電池の電極を3Dプリントする新しい方法を開発したことを知りました。

研究者らは、DLP 3D 印刷技術を使用して複雑なポリマー構造を作成し、それを熱後処理によって有用な電極材料に変換しました。得られた炭素およびコバルトリチウム酸化物構造は、それぞれアノードおよびカソードとして機能することが実証され、優れたバッテリー性能と安定性を示すと言われている。

「ポリマーの熱分解により炭素が形成されることは知られています。私たちの方法は、この現象を利用して 3D プリントされた炭素材料を作成します」と、カリフォルニア工科大学の大学院生である Kai Narita 氏は説明します。「市販のフォトレジストと DLP デジタル光処理を使用して 3D ポリマー構造を作成し、それを 1000˚C で熱分解して炭素構造に変換します。」

△ DLP 3D で印刷された複雑な電極形状、カリフォルニア工科大学の写真
リチウムイオン電池の限界

50年前に発明されて以来、リチウムイオン電池は現代の人々の生活に欠かせないものとなり、家庭用電化製品から軍事衛星まであらゆるものに電力を供給しています。その結果、電気化学の分野では、エネルギー貯蔵装置の容量を増やしながら、より小型で安価で充電が速いものにすることを特に目的とした研究が大量に行われています。

より優れたバッテリーは、携帯電話の寿命を延ばすだけでなく、化石燃料への依存を減らし、再生可能エネルギーの利用を促進するため、気候変動にも大きな影響を与える可能性があります。残念ながら、電気自動車や風力・太陽光グリッドエネルギー貯蔵などのアプリケーションは、最先端の技術をもってしても、現在のエネルギー密度と充電速度によって依然として制限されています。

従来の平面電極リチウムイオン電池では、エネルギー密度(蓄えられるエネルギーの量)と電力密度(エネルギーが放出される速度)が連動していることがよくあります。たとえば、電極の質量を増やすとエネルギー密度は増加しますが、電極の厚さが増すため、イオンと電子は放電する前により長い距離を移動しなければならず、その結果、電力密度は低下します。この関係を切り離すと、エネルギー貯蔵装置のエネルギー密度と電力密度の両方を同時に向上させることができます。ここで 3D プリントが役立ちます。

△3Dプリントカーボン電極のSEM画像、カリフォルニア工科大学提供
3Dプリントは

3D プリンティングは近年実際に応用が検討され始めていますが、これまでの試みは主にナノインクの押し出しに依存しており、高解像度の部品には適していません。光重合は解像度の問題を解決しますが、ポリマー化学に基づいているため、一般に電極材料とは互換性がありません。

カリフォルニア工科大学のチームは、DLP 熱分解法を利用して、両方の長所を組み合わせて、電極材料から高解像度の電極を生成することができました。この技術は、マイクロサイズやナノサイズのサブ構造を持つ厚い電極構造を印刷できるため、高性能バッテリー製造の新しい方法への道を開きます。

この研究の主著者であるジュリア・グリア教授は、「構造設計、寸法、材料を完全に制御して 3D プリント電極を作成することで、安全で機械的に堅牢で、効率の高い固体電池を製造するためのスケーラブルで信頼性の高い方法に一歩近づくことができます」と結論付けています。

研究の詳細については、「Advanced Energy Materials」および「Advanced Materials Technologies」をご覧ください。

△ 3Dプリントされたカーボン電極層のクローズアップ、カリフォルニア工科大学の写真

出典: 3dprintingindustry



車、エネルギー、南極のクマ

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