スイス連邦材料科学技術研究所（EMPA）の研究者は、3Dプリントを利用して、持続可能な新クラスのスーパーキャパシタを作製しました。柔軟なセルロースとグリセロールの基材に、導電性カーボンとグラファイトを含むインクでパターニングした完全3Dプリント電池は、容量を維持しながら数千回の充電サイクルに耐えることができます。この新しい電池は、生分解性の基材を使用しているため、使い終わったら堆肥化することができ、世界の電子廃棄物問題に取り組むための理想的なツールになる可能性があります。EMPAの研究者によると、近年の電子ウェアラブル、パッケージング、モノのインターネット（IoT）アプリケーションのブームにより、これらのデバイスの数は世界で270億個に増加しています。しかし、これらの機器は寿命が短く、再生不可能なリチウムイオン電池やアルカリ電池を使用しているため、多くの製品が最終的に埋め立てられ、世界の「E-waste」問題を悪化させることになります。研究成果は、以下の論文に詳しく述べられています。 「完全な3Dプリントによる使い捨ての紙製スーパーキャパシタ
そこで科学者たちは、より環境に優しいエネルギー貯蔵装置を開発するために、電気二重層キャパシタ（EDLC）の実験を開始した。この大容量・高速充電可能なスーパーキャパシタは、少なくとも部分的に生分解性材料から製造できるため、特殊な廃棄サービスが必要な通常の電池の理想的な代替品になる可能性がある。
EDLCの研究開発には多くの研究が費やされているが、電極や集電体など様々な部品を単一の製造プロセスで製造することは困難である。また、試作された電気二重層キャパシタは、部分的に3Dプリントされたものが多く、組み立てや後処理に時間とコストがかかるため、商品化には至っていないのが現状です。
そこで、EDLCの生産を効率化し、環境にやさしい電池を作るために、EMPAのチームはDIW 3Dプリントを利用し、2つのハーフセルを製造してから折り畳むことにしました。実際には、まず基材を印刷し、その上に電極と導電性グラファイトを注入した電解質層を蒸着するという工程を経て、いくつかの調整を経て機能する電池を完成させた。
EMPAセルロース・木材材料研究所のXavier Aeby氏は、「簡単なようでいて、まったく簡単ではありませんでした」と語る。「すべての部品がプリンターから確実に流れ出し、コンデンサーが動作するまで、すべてのパラメータが正しくなるまで、長時間の一連のテストが必要でした。研究者として、私たちはただいじくり回すだけでなく、材料の内部で何が起こっているのかを理解したいのです」とも語っています。
スーパーキャパシタのプロトタイプが完成すると、研究者たちは、0.5Vまで充電し、その開放面電圧を測定することで、充電保持力をテストしようとしました。研究者らによると、このデバイスは150時間後でもまだ30%の充電量が残っており、その性能は「最先端の炭素系スーパーキャパシタと同程度」であった。
興味深いことに、研究者達は、このスーパーキャパシタの容量も、製作後2週間は変動し、その後落ち着きましたが、その後8ヶ月間保管しても機能を維持し、実験を終えて堆肥化を試みたところ、9週間かけて約50％の質量を溶解させることができたと述べています。また、実験では、3Vの目覚まし時計に機械的な負荷をかけ、温度を変化させても動作することが確認された。その結果、さらに研究開発を進めれば、環境モニタリング、電子テキスタイル、ヘルスケアアプリケーションなどの低電圧スマートデバイスに持続的に電力を供給するために、より広い規模で展開することが可能になるという。
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