固体蓄電デバイスの3Dプリンティング製造法を開発――プロトン伝導膜が成形可能に 東北大

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東北大学は2021年4月1日、東北大学多元物質科学研究所の研究グループが、3Dプリンティング技術により成形可能なプロトン伝導膜の開発に成功し、固体蓄電デバイスの3Dプリンティング製造法を開発したと発表した。

研究グループによると、プロトン移動を伴うことでエネルギー貯蔵、変換を行うデバイス(例えば電気化学キャパシタやバイオ電池)は、基本的に二つの電極とその電極間に存在するプロトン伝導膜から構成されるが、プロトン伝導膜を3Dプリンティング技術により成形できる技術は開発されていなかったという。

3Dプリンティングでは、インクの粘度を制御することが重要だ。例えば、粘度が低いと元の形状を全く維持できず、任意の形状に物体を成形できなくなる。逆に粘度が高すぎると、インクの吐出がうまくできず形状が乱れてしまう。

そこで研究では、任意の粘度を有する3Dプリント可能なプロトン伝導膜インクの作製に取り組んだ。研究グループは、イオン液体に無機ナノ粒子を混合することでイオン液体の粘度が変化しゲル状になるという現象に着目。プロトン性イオン液体、無機ナノシリカ、光硬化樹脂を用いる手法を提案し、3Dプリンティングに適したナノインクの作製に成功した。

さらに、3Dプリント吐出したインクに紫外線ランプを照射することで光硬化樹脂を硬化させ、吐出形状を維持できることも確認。この技術を用いて疑似固体電気化学キャパシタを作製し、作製したキャパシタが充放電可能であることを実証した。

疑似的に固体状態を維持しているため、 従来の電気化学キャパシタなどのように内部液の液漏れの心配はない。難揮発性/難燃性のイオン液体を使用しているため、安全性も高い。

開発された手法では、多様なイオン液体や無機材料、樹脂原料を出発原料として利用でき、任意のイオン伝導性/機械耐久性/柔軟性を付与することが可能だ。また、短時間/低コストで小型~大型固体蓄電デバイス用の電解質材料を製造することも期待できる。

研究グループは、本技術を応用すれば、電極自体も3Dプリント技術により成形することが可能であり、電極-電解質全てを3Dプリンティングにより造形した固体蓄電デバイスを作製できるようになることが期待できるとしている。

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