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車や建物自体を充電に使える3D構造のカーボン材料を開発 ― 東北大学&ジョンズ・ホプキンス大学

造形後・炭素化後・MgOナノ粒子脱離後の各段階での試料の外観

東北大学とアメリカのジョンズ・ホプキンス大学の共同研究チームは、車や建物自体にエネルギーを貯蔵できるようにする3D構造のカーボン材料「階層的多孔質カーボンマイクロラティス」を開発・作製したことを2023年8月23日に発表した。

研究チームは東北大学材料科学高等研究所・助教の工藤 朗 氏、特任助教の唐 睿 氏、教授の折茂 慎一 氏、教授の西原 洋知 氏、同大学多元物質科学研究所・大学院生の金丸 和也 氏、助教の吉井 丈晴 氏、同大学学際科学フロンティア研究所・助教の韓久 慧 氏、同大学金属材料研究所・助教の木須 一彰 氏、米国ジョンズ・ホプキンス大学・教授の陳 明偉 氏らで構成。研究成果は、2023年8月2日にナノテクノロジー・科学の専門誌「Small」にオンライン掲載された。。(上部画像は造形後・炭素化後・MgOナノ粒子脱離後の各段階での試料の外観。出典:東北大学)

「構造的エネルギー貯蔵」の実現への一歩に

持続可能な社会基盤を築くため、各種再生エネルギーやその貯蔵技術の需要が高まる中、近年では自動車の車体や飛行機の翼、壁、柱などの荷重を支える構造体そのものを蓄電材料としても扱う「構造的エネルギー貯蔵」という発想が注目されている。

今回の研究では、光造形3Dプリンター用の複合材料樹脂を開発し、デジタル設計した構造を維持しつつマクロ・メソ・ナノの階層的多孔質構造を導入した3Dカーボンマイクロラティスが作製された。機械的強度に優れる格子(ラティス)構造と、蓄電性能を付与する比表面積を併せ持つ点に大きな特徴がある。

走査電子顕微鏡と透過電子顕微鏡による4段階の多孔質構造の写真
走査電子顕微鏡と透過電子顕微鏡による4段階の多孔質構造の写真(出典:東北大学)

階層的多孔質構造の3Dカーボンマイクロラティスは、光造形3Dプリンターでの造形後に炭素化し、塩酸処理を施す事で梁の内部にマクロ・メソ・ナノの3段階サイズの孔の導入に成功している。小さな孔が植物の維管束のように梁の内部に広がり、ラティスと合わせて構造全体に速やかに液体電解質を輸送する流路として機能する。

蓄電器として機能する比表面積を有しながら圧縮強度7.45~10.45MPaと剛性率400〜700MPaを示し、変形の少ない構造材料としても十分な性質を示したという。

今後は、実用的部材の作製に向けて、ドローンのボディやモバイル機器の筐体として使えるサイズを目指し、正極・負極合わせた充電デバイスとして完成させることを目標として掲げている。

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国内外の3DプリンターおよびAM(アディティブマニュファクチャリング)に関するニュースや最新事例などの情報発信を行っている日本最大級のバーティカルメディアの編集部。

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