マテリアル・ハイブリッド・マニュファクチャリングと呼ばれる新興企業は、化学式ではなく「幾何学」を使用して次のバッテリー革命を推進しようとしている。同社は、かつてメルセデスAMG F1チームとリビアンで働いていたエンジニア、ゲイブ・エリアスによって2023年に設立された。同社は、完全なバッテリーシステムをさまざまな曲面や構造上に直接「印刷」できる3Dプリンティングプロセスを開発した。これにより、デバイス設計における従来の四角形や円筒形のバッテリーセルの制約が打ち破られると期待されている。
今年の初め、マテリアルは、防衛および航空宇宙ハードウェア向けのこの 3D プリント バッテリー技術の実現可能性を 18 か月以内に実証するために、米国空軍から 125 万ドルの契約を獲得しました。これは、曲げて構造表面に適合する「変形可能なバッテリー」がどのように設計の自由を解き放つことができるかを実証することに重点を置いています。この新たな軌道において、同社はシリコンバレーのSakuúやドイツのBlackstone Technologyなどの競合他社と競争して、特に「形状が機能を決定する」小規模システムシナリオをターゲットとして、プリントバッテリーを商品化する機会を掴もうとしている。
マテリアル独自のプラットフォームである Hybrid3D は、金型や従来の工具を必要とせずに、電池の主要コンポーネント (アノード、カソード、セパレータ、ケーシング) をすべて層ごとに印刷できます。このシステムは、直接描画インクジェット印刷と溶融堆積モデリングの原理を組み合わせて、層厚 100 ～ 150 ミクロンの活物質を順次堆積し、液体電解質を注入してバッテリー コアを完成させます。同社は現在、後継製品としてソリッドステートバージョンも開発中です。
金属ケース、バスバー、巨大なワイヤーハーネスに依存する従来の製造モデルとは異なり、この印刷方法では、バッテリーを既存の構造に「目に見えない」形で統合できます。ドローンでは、バッテリーが翼または腕に沿って配置されることが予想されます。ウェアラブル デバイスでは、バッテリーは固定された形状のバッテリー モジュールではなく、スマート グラスのフレームに沿って湾曲して広げることができます。 IEEE Spectrumとのインタビューでエリアス氏は、Hybrid3Dプロセスはバッテリー化学システムの柔軟性を維持しながら、ほぼあらゆる幾何学的形状に適応できると述べた。入力材料とソフトウェアパラメータを変更することで、NMC 811、NMC 111、リン酸鉄リチウム (LFP)、チタン酸リチウム、その他のシステムを切り替えることができます。
マテリアルの創設チームは当初、電気自動車用のカスタム形状のバッテリー パックを作成したいと考え、自動車産業に焦点を当てていました。しかし、彼らはすぐに、電気自動車の車両全体のレイアウトスペースが比較的広いことを発見しました。たとえば、Rivian ピックアップ トラックの 135 kWh バッテリー パックは 7,700 個を超える円筒形セルを収容できるため、形状の最適化による限界的な利点は限られています。対照的に、小型ドローン、個人兵士の装備、および新世代の家庭用電子機器は、より厳しいスペース制約に直面しており、バッテリーは多くの場合「パッシブ アダプター」になります。エリアス氏が述べたように、さまざまな電子コンポーネントは常に組み込まれ、統合され、最適化されていますが、方程式の中で同時に進化していない唯一の部分はバッテリーです。
コンセプトからコンセプト実証に移行するために、マテリアルはドローン メーカーのパフォーマンス ドローン ワークス (PDW) と提携して、自社のドローン 1 台にバッテリーを搭載しました。元の 48 セル バッテリー パックと同じ体積を占有しながら、マテリアルによって印刷されたバッテリーは、エネルギー密度が 50% 増加し、内部空間利用率が 35% 増加しました。チームの計算によると、この効率向上により、同じ航続距離を維持しながら飛行距離が 2 倍になるか、積載量が大幅に増加すると予想されます。この技術がさらに拡張されると、バッテリーが車体構造やモーターのケーシングに直接「書き込まれる」可能性があり、従来の意味でのバッテリーモジュールが根本的に無効になる可能性があります。
軍事シナリオでは、このテクノロジーの潜在的な価値は特に明白です。軽量で人間工学に基づいた個別の電源システム、およびヘルメットへの電源の直接統合により、高性能の光学機器と通信システムのサポートが提供されます。エリアスは、メルセデスAMGで働いていたとき、空気力学と重量配分を最適化するためにバッテリーセルをF1の運転席の周りに配置しようとしたが、機械的な複雑さが高すぎたため最終的に見送られたと回想した。この経験は、後の「バッテリーを構造の一部にする」という積層造形のアイデアにも貢献しました。
同氏の見解では、これは「バッテリーパックに直接接続されたセル」の概念を継続する上で避けられない道であり、セルをモジュールにすることから、直接バッテリーパックにし、さらにエネルギー貯蔵を独立したコンポーネントではなく構造サブシステムに変えることになる。マテリアル初の商用グレードの印刷装置のプラットフォーム サイズは 550 × 350 mm で、同社はすでに、より大きなコンポーネントの成形をサポートするためのより大きなフォーマットのプリンタを開発しています。これは、生産モデルが根本的に変更される可能性があることも意味します。将来的には、特定の製品は、高価な生産ラインの変更や金型への投資を必要とせずに、CAD モデルから物理的なオブジェクトに直接移行できるようになります。
エリアス氏は、従来の家電大手も構造に適合できるバッテリーソリューションを模索していると指摘した。たとえば、Apple は従来のプロセスにより、iPhone に L 字型や特殊な形状のバッテリーを大量に使用して、本体内部のスペースをさらに圧迫してきました。同氏は、同様の、あるいはさらに複雑な幾何学形状を印刷で実現できれば、コストの大幅な削減が期待できるだけでなく、拡張性も強化されるため、将来的には見た目と電池寿命の両方を考慮したいスマートグラスなどのウェアラブルデバイスにとって重要になると考えている。
このコンセプトを真に実現するには、マテリアルは引き続きプロセスの安定性、特に材料のレオロジー特性と層の厚さの制御を磨き続ける必要があります。歩留まりとパフォーマンスの一貫性を確保するには、人間の髪の毛の幅に近いスケールで高度な一貫性を維持する必要があります。それでも、経済的な観点からはこの見通しは魅力的である。成熟すれば、3D プリント電池は単セルから数キロワット時バッテリーパックまで幅広い価格帯をカバーすると予想されており、後者の現在の市場価格はキロワット時あたり約 400 ドルから 3,000 ドルの範囲である。
部品を削減し、組み立てプロセスを簡素化することで、プリント電池は、特に形状や重量に敏感な航空宇宙や防衛などの複雑な用途でより高い利益率を達成すると期待されています。これらの分野では、構造の統合と柔軟性が純粋な単価よりも重要であることが多いためです。マテリアルに関しては、Hybrid3D が最終的に実現可能であることが証明されれば、バッテリーの形状は設計上の制約ではなくなり、設計自体の一部となるでしょう。