邁向2050淨零碳排社會，除了從化石燃料的能源轉型外，儲存再生能源之裝置所需資源的確保也是嶄新課題，目前最普及的蓄電裝置是鋰電池，但生產上所需的鋰與鈷卻是產地、產量皆有限的資源，於是找尋鋰以外的金屬離子作為次世代蓄電裝置的研究便成為顯學。
而對於四面環海的日本來說，能夠運用海洋豐富資源的鈉電池具有資源確保觀點上的優勢，但現階段鈉電池的能源密度與輸出密度均不及鋰電池，為了追求高性能化極需研發全新的材料。
有鑑於此，日本東北大學與美國加州大學洛杉磯分校的研究團隊針對作為次世代電池候補之一的鈉電池進行研究，研發出可降低成本並提升性能的手法，是透過3D列印來製作負極材料讓離子容易通過，即便增厚負極提升容量，充放電性能也不會降低，節省構成零件將可降低3~4成製造成本，未來也將研究對於正極的應用。
鈉電池資源取得穩定，性能仍不及鋰電池
尋找成本低廉的次世代電池是邁向淨零碳排社會的重要課題之一，而受到矚目的有力候補之一便是鈉電池，基本構造與鋰電池相同，但並非採用昂貴的鋰，而是以鈉的離子來搬運電子，電極也可以使用由鐵等構成的材料來取代含鈷等稀金屬的材料。
由於鋰與鈷的產地有限，存在著地理政治學上的風險，且伴隨電動車生產擴大供需吃緊的疑慮，目前價格不斷高漲，另一方面，鈉從海水中便可提取，容易穩定取得，然而目前性能還不及鋰電池，仍在進行電極材料等的探索。
3D列印微米網格結構負極，容量擴增4倍
據《日本經濟新聞》報導，研究的目標是使用3D列印機來低成本地製作高性能電極，首先是以3D列印機將光硬化樹脂加工成網格狀並照射紫外線，接著以約1000度加熱後使其碳化，而形成被稱為硬碳的碳，網格維持著以數百微米（10-6m）間隔排列的構造。
試著製作以此材料為負極的鈉電池，並檢測其性能，發現即便將負極厚度作成以往製法的3倍以上，充放電性能也不會降低，離子變得更容易通過整齊排列的間隙，藉由增厚負極最大可使單位面積的容量提升至4倍，且在反覆充放電100次以後也能維持約8成的容量。
由於電池的電極通常是將片狀材料堆疊來製作，若將單層電極增厚的話，離子便變得難以通過，而導致充放電性能降低。
以3D列印增厚負極，降低30~40%成本
若可藉由3D列印機來增厚電極，達到兼具容量與充放電性能的話，便有可能能夠省去分隔膜與集電體等零件，由於可僅以硬碳來形成電極，也將變得不需要黏接材料的黏合劑，若將電極厚度作成以往的5倍，相比於堆疊5層電極的製法，雖然容量相等但製造成本預估可降低3~4成。
東北大學助理教授工藤朗表示：「能夠將容易碎裂的硬碳作成網格狀的只有3D列印機，未來將繼續微細化網格並檢測其性能」，也提到未來應用於正極、應用於採用鎂或鋁等其他次世代電池的目標。
責任編輯：吳秀樺
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