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エアロゾルジェット法を用いたバッテリー電極の作製

最終更新: 2019年3月8日

Carnegie Mellon大学のグループが、エアロゾルジェット法を用いた3Dバッテリー電極の製造方法を確立しました。。

この研究成果は、Additive Manufacturingで発表されています。


この記事は下記論文の紹介記事です。

論文:

Saleh, Mohammad Sadeq, et al. "3D printed hierarchically-porous microlattice electrode materials for exceptionally high specific capacity and areal capacity lithium ion batteries." Additive Manufacturing 23 (2018): 70-78.

大学プレスリリースHP:

https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2018/07/30-panat-batteries.html



リチウムイオン電池のための多孔質電極の製造に、3D印刷を使用された例は既にありますが、製造プロセスの性質上、電極の設計に限りがありました。


リチウムイオン電池の容量は、マイクロスケールで電極の細孔およびチャネルがあれば、大幅に改善することが知られています。


Carnegie Mellon大学の機械工学の准教授であるRahul Panat氏と、ミネソタ州S&Tの機械宇宙工学の助教授であるJonghyun Park、Carnegie Mellonの研究者チームは協力し、革新的な3D印刷用電池電極の新しい製造方法を開発しました。この3D印刷による電極は、制御された気孔率を有する3Dマイクロメカニカル構造有しています。

研究者らは、このマイクロ構造構造を3D印刷することで、雑誌Additive Manufacturingに掲載された論文に示すように、リチウムイオン電池の容量と充放電速度を大幅に改善しました。


「リチウムイオン電池の場合、多孔質構造の電極はより高い充電容量につながります。これは、このような構造によって、リチウムが電極体積を貫通して非常に高い電極利用率をもたらし、それによってより高いエネルギー貯蔵容量が得られるからである。通常の電池では、全電極体積の30〜50%が未使用である。私たちの方法は、3D印刷を使用してこの問題を克服し、電極全体を通して効率的にリチウムを輸送できるマイクロストラップ電極アーキテクチャを作成し、バッテリ充電率を向上させます。」とPanat氏は述べています



論文に示されている3D造形物の製造方法は、3Dバッテリアーキテクチャの複雑な形状を印刷する際の大きな進歩であり、電気化学的エネルギー貯蔵のために3D構成を幾何学的に最適化する重要なステップです。研究者らは、この技術は約2〜3年後に工業用アプリケーションに変換する準備が整うと見積もっているとのことです。


リチウムイオン電池の電極として使用されるマイクロマラティス構造(Ag)は、固体ブロック(Ag)電極と比較した場合の面積容量の2倍の増加、比容量が4倍の増加などいくつか電池性能を改善することが示されたとのことです。さらに、電極は、機械的堅牢性を示す40回の電気化学サイクルの後に、その複雑な3次元格子構造を保持したことも確認されています。従って、電池は、従来品に比べて同じ容量に対して、重量が大幅に減り、輸送用途にとって重要な属性である高容量を有することができると考えられています。




3D造形した電極概略図およびSEM画像


今回、同グループは、エアロゾルジェット3D印刷システムの既存の機能を活用しながら、多孔性マイクロマスター構造を作成する独自の3D印刷方法を開発しました。

これまで、3D印刷された電池は、材料のワイヤーがノズルから押し出されて連続構造を作り出す押出ベースの印刷に限られていました。一方でエアロゾルジェット法では、研究者は個々の液滴を1つずつ3次元構造に素早く組み立てることによってバッテリー電極を3D印刷することができます。得られる構造は、典型的な押出法を用いて製造することが不可能な複雑な形状を有することができます。


「これらの液滴は互いに分離されているため、これらの新しい複雑な形状を作成できます。これが押出印刷の場合のように材料の単一の流れであった場合、我々はそれらを作ることができないだろう。これは新しいものです。私はこれまで3D印刷を使って複雑な構造を作る人はいなかった」

とPanat氏は述べています。



#エアロゾルジェット #リチウムイオン電池


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