3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

家の壁、橋の柱、あるいは街路の舗装が、単に重さを支えるだけでなく、それ以上の役割を果たせるとしたら、どのような世界でしょうか。それらが電気を蓄え、照明やセンサー、さらには建物自体に電力を供給する巨大で静かなバッテリーとして機能するのです。この「構造エネルギー貯蔵」として知られるアイデアは、長年エンジニアたちの夢でした。課題は常に、建築に使えるほど強く、かつ電池のように電荷を保持できる材料を見つけることでした。コンクートやセメントは地球上で最も一般的な建築資材であり、安価で耐火性に優れ、非常に耐久性があります。しかし、これらは本質的に電気を通しにくく、電池が機能するために不可欠な導電性に欠けています。従来の電池は、構造材として使うにはあまりにも脆弱なプラスチック製のバインダーによって保持された、繊細な化学混合物に依存しています。長年、科学者たちはセメントを電池に変えようと試みてきましたが、その結果は強度が低かったり、わずかなエネルギーしか蓄えられなかったり、あるいは数回の使用で機能しなくなったりすることがよくありました。目標は、岩のように頑丈な建築ブロックでありながら、高性能なエネルギー貯蔵装置でもある材料を作り出すことでした。

研究チームは、セメントを用いた電池の3Dプリントに成功し、この現実に向けて大きな一歩を踏み出しました。標準的な電池のデザインを無理やりコンクリートに押し込もうとするのではなく、彼らはセメントの自然な硬化プロセスを利用して電池の内部構造を構築するという新しい手法を開発しました。彼らは、水、セメント、そして2種類の電池材料（正の電荷を蓄えるものと負の電荷を蓄えるもの）からなる特殊なインクを作成しました。また、混合物の中を電気が移動しやすくするために、微細な炭素粒子のネットワークも加えました。このインクが3Dプリンターから押し出されると、連続した形状を形成します。セメントが乾燥して硬化するにつれ、「水和作用」と呼ばれる化学反応が起こり、すべてを固定する鉱物の骨格が作られます。この骨格が強度を提供し、炭素ネットワークが電気の自由な流れを確保します。その結果、建設資材のような見た目と質感でありながら、充電可能なリチウムイオン電池として機能する、固形にプリントされた物体が誕生しました。

研究者たちは、電池の両極（正極と負極）をプリントし、それらを接続して完全なセルを形成することで、この新素材のテストを行いました。その結果、この電池は驚くほど良好に機能することが分かりました。低速での充電テストにおいて、正極側は1グラムあたり157.5ユニットのエネルギーを蓄え、負極側は172.3ユニットを蓄えました。これらの数値は多くの標準的な市販電池に匹敵するものであり、セメントが電池材料の化学的活性を損なわなかったことを証明しています。さらに重要なことに、この電池は驚異的な耐久性を示しました。1万回の充放電を行った後でも、電池全体は元のエネルギー容量の98.5パーセントを維持していました。このような耐久性は、このような粗く多孔質な材料から作られた電池としては極めて稀なことです。研究は、セメントのフレームワークが実際に電池材料を保護し、使用中の膨張や収縮の中でも安定性を保つ役割を果たしていることを示しました。

単に電荷を保持するだけでなく、この素材は実世界の建設に必要な安全性と汎用性も備えていることが実証されました。可燃性の液体化学物質やプラスチック部品を使用する従来の電池とは異なり、このセメントベースの電池は不燃性の鉱物で作られています。直接的なテストにおいて、研究者がプリントされた電池に10分間炎を当てたところ、物体は形状を維持し、溶けることも燃えることもなく、プラスチックベースの電池には真似できない熱耐性を示しました。また、3Dプリントプロセスにより、電池が故障することなく、複雑な形状や厚い層を作ることが可能になりました。研究者たちは異なる厚さの電極をプリントしましたが、電気は薄い層と同様に厚い層を通っても良好に流れることができました。これは、これらの電池が標準的な長方形の箱に押し込められるのではなく、建物内の必要な場所にぴったり合うように、大型でカスタムされた形状にプリントできる可能性を示唆しています。

この研究は、なぜこのアプローチがこれまでの失敗を克服できたのかについても解明しています。以前のセメント電池の試みは、セメントが電気の動きをブロックしたり、繊細な電池化学物質を破壊したりすることで失敗することがよくありました。研究者たちは、セメント、電池材料、および炭素の混合比を慎重に調整することで、セメントが強度を提供し、炭素が電気の高速道路となるネットワークを構築できることを見出しました。彼らは、酸化アルミニウムや二酸化ケイ素などの異なるバインダーを使用した他の混合物とこのセメントベースのインクを比較し、セメント版が最も優れた性能を示すことを発見しました。セメントは構造を保持するだけでなく、エネルギーを運ぶ小さな粒子である「イオン」の流れをも改善しているようでした。これらの特性のユニークな組み合わせにより、この素材は単なる受動的なエネルギー容器ではなく、エネルギーシステムに統合された能動的な一部となっているのです。

この研究は、建設の未来に向けた新しい道を提示しています。それは、単に標準的な電池を壁の中に埋め込むという考えを超え、壁そのものが電池になり得るという提案です。これらの構造体を3Dプリントできる能力により、建築家やエンジニアは、建物の特定の形状やニーズに合わせてカスタマイズされた、電源を内蔵した建物を設計できるようになります。使用される材料は安価で広く入手可能であり、プロセスはスケーラブル（拡張可能）であるため、これらのエネルギー貯蔵コンポーネントを大量に製造することも可能です。この技術はまだ研究段階にありますが、その結果は、安全性、強度、または性能を犠牲にすることなく、建設とエネルギー貯蔵の世界を融合させることが可能であることを示しています。セメントベースの電池は、私たちが世界を築くために使う材料が、同時に世界に電力を供給できるという概念の実証（プルーフ・オブ・コンセプト）なのです。