日本东北大学与美国加州大学洛杉矶分校组成的研究团队开发出了有助于降低新一代电池的候选之一钠离子电池的成本并提高其性能的方法。使用3D打印机制作负极材料，使离子更容易通过，即使加厚负极并提高容量，充放电性能也不会下降。该方法有望简化零部件，将制造成本降低30~40%。研究团队正在推进用于正极等的研究。
碳化用3D打印机固化的树脂（上）制作的负极材料（下）（供图：东北大学助教工藤朗）
钠离子电池作为低成本的新一代电池备受关注。其基本结构与锂离子电池相同，只不过是由钠离子取代昂贵的锂来存储和释放电能。电极可以使用铁等材料来代替含钴等稀有金属的材料。
锂和钴的产地有限，存在地缘政治风险。随着电动汽车（EV）的产量扩大，供需也可能会变得紧张，短期内价格将继续居高不下。另一方面，钠可以从海水中回收，有稳定的供应。但它性能不如锂离子电池，研究人员一直在探索电极材料等。
此次研究的目标是，使用3D打印机低成本制作高性能电极。研究团队首先使用3D打印机向光固化树脂照射紫外线，将其加工成晶格状。接下来用约1000℃的温度加热，树脂被碳化形成硬碳。保留了晶格以数百微米（微米为百万分之一米）的间隔排列的结构。
研究团队以该材料为负极，试制了钠离子电池，并调查了性能。即使将负极的厚度增加到常规方法的三倍以上，充放电性能也没有劣化。可能是有规则的间隙让离子变得更容易通过。通过增加负极的厚度，单位面积的容量最多增加四倍。反复充放电100次后仍保持了约40%的容量。
利用3D打印机开发了具有微细晶格结构的负极材料（供图：东北大学助教工藤朗）
电池的电极通常是堆叠片状材料制作的。因为如果采用很厚的单层电极，离子不容易通过，充放电性能会下降。
如果能利用3D打印机加厚电极，兼顾容量和充放电性能，就有望省略隔膜和集电体等零部件。由于仅使用硬碳就可以形成电极，因此也无需使用粘接材料的粘合剂。据估算，将电极厚度增至以往的5倍时，与层叠5层电极的方法相比，容量相同但制造成本可降低30～40%。
东北大学的工藤朗助教表示：“能将易碎的硬碳制成晶格状的只有3D打印机。今后打算将晶格进一步小型化，调查其性能”。还打算将该技术应用于正极以及使用镁和铝等的其他新一代电池。
日文：远藤智之、《日经产业新闻》，2022/7/27
中文：JST客观日本编辑部
