脱炭素社会の実現に向け、太陽光や風力といった再生可能エネルギーへのシフトが世界中で加速しています。しかし、これらのクリーンなエネルギーは天候に左右される「変動性」という宿命を抱えており、電力網（グリッド）を安定化させるための大規模な蓄電システム（ESS：Energy Storage System）の構築が急務となっています。

現在、このグリッドストレージの主役はリチウムイオン電池です。しかし、リチウムやコバルトといった極めて偏在性の高い「レアメタル」への依存、それに伴う地政学的リスク、そして発火事故に代表される安全性の課題は、インフラの長期的運用において巨大なアキレス腱となっています。一方で、超高速充放電と長寿命を誇るスーパーキャパシタは、エネルギー貯蔵容量（密度）が圧倒的に不足しているというトレードオフを抱えてきました。

この「容量」と「寿命・出力」の二者択一に終止符を打つべく、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）のMaher El-Kady（マヘル・エルカディ）氏とRic Kaner（リチャード・カーナー）氏らの研究チームが立ち上がりました。彼らが導き出した答えは、「豊富で安価な亜鉛」という素材の選択と、「3Dプリンティング技術」による超多孔質構造の精密制御を融合させることでした。本稿では、彼らが開発した次世代ハイブリッド電池の全貌と、電池研究の歴史的課題である「測定の再現性」を解決する1ドルの発明について、最新の関連情報を交えて詳しく解説します。

この記事のポイント

• 3Dプリント技術の極限： 「テニスコート10面分/g」という驚異的な比表面積を持つ多孔質カーボン電極を開発。バナジウム酸化物を目詰まりなく高密度に充填することに成功。
• 資源問題への回答： リチウムの100倍豊富で安全な亜鉛を採用。従来の類似デバイスの7倍以上の容量と、1500サイクル後も82%を維持する高耐久性を両立。
• 研究プロセスの民主化： わずか1ドルで製造可能な「密閉型3Dプリント製テストセル」の設計データを公開。世界的な課題である電池研究の「再現性危機」に終止符を打つ。

1. グリッドスケール蓄電が直面する物理的・経済的障壁

現代のエネルギーインフラが求める蓄電システムには、EV（電気自動車）向けとは異なる独自の要件が課されます。それは、「極めて安価であること」「数十年にわたり数万回充放電しても劣化しないこと」「発火リスクがゼロに近いこと」です。

リチウムイオン電池とスーパーキャパシタ、そして今回UCLAが開発した「亜鉛イオンハイブリッド電池」の位置づけを整理すると、以下のようになります。

特性	リチウムイオン電池	スーパーキャパシタ	亜鉛イオンハイブリッド電池（UCLA）
エネルギー密度（容量）	非常に高い（化学反応）	低い（物理的吸着のみ）	高い（類似ハイブリッド比7倍）
出力特性（急速充放電）	低い（急速充電は劣化を促進）	極めて高い（数秒〜数分）	高い（急速充放電に対応）
サイクル寿命	3,000〜5,000回で容量低下	100万回以上	1,500サイクルで82%維持（高耐久）
資源リスク・コスト	高い（Li, Co, Niの偏在・高騰）	低い（主に活性炭）	極めて低い（地殻中に豊富な亜鉛・炭素）
安全性	有機電解液による発火リスクあり	極めて安全	水系電解液のため極めて安全・不燃

キャパシタは電極の「表面（比表面積）」にしかイオンを蓄えられないため、容量を増やすには表面積を極限まで広げる必要があります。しかし、従来の「活性炭」などの多孔質材料は、微細な穴（細孔）がランダムかつ複雑に入り組んでいるため、イオンが奥まで到達できず、電気抵抗が跳ね上がるという「物理的限界」に直面していました。

2. 3Dプリントが描き出す「テニスコート10面分」のナノ迷路

UCLAの研究チームは、この幾何学的なトレードオフを光造形（SLA）方式の3Dプリンティング技術によって解決しました。

立体カーボンの製造プロセス

1. 精密な光重合造形： 紫外線レーザーを用いて、ハニカム状（三次元網目構造）の超微細な足場を液体樹脂から立体的に成形。
2. 炭化（カーボン化）プロセス： 形成された高分子の足場を不活性ガス雰囲気下で高温加熱（熱分解）。不要な元素を揮発させ、高導電性のカーボン骨格（炭素トポロジー）のみを残す。
3. 酸化物の精密電析： 完成したカーボンの立体網目構造の奥深くに、電気化学的活性の高い「バナジウム酸化物」を均一にナノコーティング。

このアプローチにより、素材1グラムあたりテニスコート10面分（数千㎡/gクラス）に相当する有効表面積を確保することに成功しました。

【技術的ブレイクスルー：物質移動の最適化】 従来の製造法では、高容量材料（バナジウム酸化物など）を多孔質構造にコーティングしようとすると、入り口付近で目詰まりを起こす「ボトルネック効果」が発生していました。UCLAのプロセスは、3Dプリントによって「イオンが通る高速道路（マクロ孔）」と「電荷を蓄える路地裏（ミクロ孔・メソ孔）」を規則的かつ階層的に作り分けたため、電解液中のイオンが抵抗なく電極の最深部まで瞬時に到達できるようになりました。

3. 地殻資源の覇者「亜鉛」がもたらす地政学的アドバンテージ

電極構造の革新に加え、チームは対向電極（負極）に亜鉛（Zn）を採用しました。

リチウムはチリや豪州などの特定の国に偏在し、その精錬プロセスも中国に依存しているため、経済安全保障上のリスクが絶えません。これに対し、亜鉛は地球上に極めて豊富（リチウムの約100倍の地殻埋蔵量）に存在し、すでに日本国内を含め世界中で安定したサプライチェーンと高いリサイクルエコシステムが確立されています。

また、亜鉛を用いた電池は「水系電解液（水をベースとした電解液）」を使用できるため、リチウムイオン電池のような有機溶媒に伴う火災や爆発のリスクが根本的に排除されます。これは、都市部や化学コンビナートの隣にメガワット級の蓄電システム（ESS）を安全に設置する上で、決定的な強みとなります。

この構成により、開発されたデバイスは従来の亜鉛イオンキャパシタの7倍以上の容量を達成し、インフラ用途に耐えうる優れた寿命特性を示しました。

4. わずか1ドルの発明：電池研究の「再現性危機」を救うオープンソース設計

本研究のもう一つの、そして学術界に最も大きな衝撃を与えた成果が、第一著者のSophia Uemura氏らが設計した「3Dプリント製・密閉型簡易テストセル」です。

実は、世界中の多くの大学やスタートアップの実験室では、開発した新材料をテストする際に、下図の「オープンビーカー方式」に頼らざるを得ないという予算的制約がありました。

• 従来の課題： メーカーが販売する金属・ガラス製の精密密閉測定セル（スウェージロック型など）は、1個あたり1,000ドル（約15万円）以上と非常に高価。そのため、多くの研究者がガラスビーカーに電解液を満たし、電極をピンセット等で固定する「簡易な開放系」で測定していました。しかし、これでは液の蒸発や振動による電極間距離のブレが発生し、寿命データの信頼性が著しく損なわれていました。

測定環境	電極間距離の固定	電解液の蒸発防止	1500サイクル後の電荷保持率（標準電極）	推計コスト
従来のオープンビーカー	不可（振動等で容易に変動）	なし（自然蒸発による濃度変化）	測定不能（100サイクル未満で乾燥・失敗）	数ドル（ただし精度は最悪）
市販の金属製密閉セル	強固に固定	完璧（気密性確保）	正常に測定可能（正確なデータ）	1,000ドル超 / 個
3Dプリント製密閉テストセル	スロット挿入により完全固定	あり（密閉トップ構造）	98%を維持（正確な長期測定に成功）	約1ドル（樹脂代のみ）

Uemura氏らがこの1ドルのテストセルの3Dプリント用CADデータ（STLファイル）をオープンソースとして完全公開したことで、世界中のあらゆる研究室が、「極めて安価に、かつ完全に標準化された精密な環境下で」自作の電極材料をテストできるようになります。これは材料開発のイノベーションの速度を世界規模で加速させる「隠れたゲームチェンジャー」と言えます。

5. 社会実装へのロードマップとこれからの課題

UCLAの研究チームが示した「3Dプリントによる電極のトポロジー制御」と「安価な亜鉛の融合」は、次世代グリッドストレージの理想形を示すマイルストーンです。しかし、これが研究室から社会実装へ羽ばたくためには、以下の課題をクリアする必要があります。

• 3Dプリンティングのスケールアップ： 現在の光造形技術は、数センチ角のプロトタイプ製造には適していますが、メガワット級のESSに必要な数平米の電極を高速・大量に印刷するには、ロール・ツー・ロール（R2R）方式などに対応した超高速・大面積3Dプリンタ技術、あるいは自己組織化プロセス等の代替技術との融合が必要です。
• バナジウムのコスト管理： 正極に用いるバナジウムもまた比較的希少な金属であるため、より安価なマンガンや鉄などの代替遷移金属を用いた多孔質電極への応用展開が期待されます。

テニスコート10面分を手のひらに収めるミクロの幾何学。そして、世界中の研究者を繋ぐ1ドルのテストセル。UCLAが提示したこれら二つのイノベーションは、リチウムという資源の足枷から人類を解放し、真に持続可能な再生可能エネルギー社会を支える頑強な基盤となるでしょう。

出典：https://xenospectrum.com/3d-printed-zinc-ion-hybrid-battery/

Breaking the Lithium Dependency: 3D Printing Transforms Earth-Abundant Zinc into a Next-Gen Energy Storage Powerhouse

To achieve a carbon-neutral society, the global shift toward renewable energy sources like solar and wind is accelerating. However, these clean energy sources harbor an inherent vulnerability: intermittent power generation dictated by the weather. Consequently, establishing large-scale Energy Storage Systems (ESS) to stabilize the power grid has become an urgent imperative.

Currently, lithium-ion batteries dominate grid storage. Yet, their reliance on highly concentrated “rare metals” like lithium and cobalt presents massive geopolitical risks, and safety concerns—notably fire hazards—remain a major Achilles’ heel for long-term infrastructure operations. Conversely, supercapacitors, which boast ultra-fast charge/discharge rates and exceptionally long lifespans, suffer from a major trade-off: a severe deficit in energy storage capacity (density).

To end this dilemma of choosing between “capacity” and “lifespan/power output,” a research team led by Maher El-Kady and Ric Kaner at the University of California, Los Angeles (UCLA) has stepped forward. Their breakthrough solution lies in marrying the choice of an abundant, inexpensive material—zinc—with the precise control of an ultra-porous structure enabled by 3D printing technology. This article provides a detailed look at the inner workings of their next-generation hybrid battery, alongside a $1 open-source invention designed to solve the chronic issue of “measurement reproducibility” in battery research.

Key Highlights

• The Zenith of 3D Printing Technology: Developed a porous carbon electrode with an extraordinary specific surface area equivalent to “10 tennis courts per gram.” The team successfully loaded this structure with high-density vanadium oxide without causing any clogging.
• The Answer to Resource Scarcity: Utilized zinc, which is 100 times more abundant and far safer than lithium. The resulting device achieves more than seven times the capacity of similar conventional devices, while maintaining a high retention rate of 82% after 1,500 cycles.
• Democratizing the Research Process: Released the open-source design data for a “sealed, 3D-printed test cell” that can be manufactured for just $1. This development promises to put an end to the global “reproducibility crisis” in battery research.

1. Physical and Economic Barriers Facing Grid-Scale Storage

Energy storage systems required for modern energy infrastructure demand unique specifications that differ from those of electric vehicle (EV) batteries. They must be extremely cost-effective, maintain degradation-free operation over tens of thousands of cycles across several decades, and present near-zero fire hazard risk.

The comparison below outlines where lithium-ion batteries, supercapacitors, and UCLA’s newly developed “zinc-ion hybrid battery” stand:

Feature	Lithium-ion Battery	Supercapacitor	Zinc-ion Hybrid Battery (UCLA)
Energy Density (Capacity)	Extremely High (Chemical reaction)	Low (Electrostatic adsorption only)	High (Over 7x higher than conventional hybrid counterparts)
Power Output Characteristics (Fast Charge/Discharge)	Low (Fast charging accelerates degradation)	Extremely High (Seconds to minutes)	High (Capable of rapid charge/discharge)
Cycle Life	Capacity drops after 3,000 to 5,000 cycles	Over 1 million cycles	Highly Durable (82% retention after 1,500 cycles)
Resource Risk & Cost	High (Uneven supply chain & soaring costs of Li, Co, Ni)	Low (Primarily active carbon)	Extremely Low (Abundant earth-grade zinc and carbon)
Safety	Fire risks associated with organic electrolytes	Extremely Safe	Extremely Safe and Non-flammable (Water-based electrolyte)

Because supercapacitors can only store ions on the “surface” (specific surface area) of their electrodes, boosting capacity requires expanding the surface area as much as possible. However, traditional porous materials like active carbon feature randomly and intricately winding micro-pores. This causes ions to struggle to penetrate deep into the structure, confronting a “physical barrier” where electrical resistance spikes.

2. A Nano-Maze Equivalent to “10 Tennis Courts” Sculpted by 3D Printing

The UCLA research team bypassed this geometric trade-off using Stereolithography (SLA) 3D printing technology.

Manufacturing Process of Three-Dimensional Carbon:

1. Precision Photopolymerization: An ultraviolet laser is used to cure liquid resin into an ultra-fine, honeycomb-like (three-dimensional network) scaffold.
2. Carbonization Process: The formed polymer scaffold is heated to high temperatures under an inert gas atmosphere (pyrolysis). This vaporizes unnecessary elements, leaving behind a highly conductive carbon skeleton (carbon topology).
3. Precision Electrodeposition of Oxides: Highly electrochemically active vanadium oxide is uniformly nano-coated deep inside the 3D carbon network.

With this approach, they successfully secured an effective surface area equivalent to roughly 10 tennis courts (thousands of square meters per gram) per single gram of material.

【Technical Breakthrough: Optimizing Mass Transport】

In traditional manufacturing methods, attempting to coat high-capacity materials (such as vanadium oxide) onto a porous structure often caused clogging near the entry points, resulting in a “bottleneck effect.” UCLA’s process solves this by using 3D printing to construct a hierarchical, orderly system of “highways for ion transport (macropores)” and “back alleys for charge storage (micropores/mesopores).” This allows ions in the electrolyte to reach the deepest parts of the electrode instantaneously and without resistance.

3. The Geopolitical Advantage of Zinc: Master of Earth-Abundant Resources

In addition to transforming the electrode architecture, the team utilized zinc (Zn) for the counter electrode (anode).

Lithium resources are heavily concentrated in a handful of countries like Chile and Australia, and its refining process relies heavily on China, posing persistent economic security risks. Zinc, on the other hand, is extremely abundant on Earth (with reserves roughly 100 times greater than lithium). It already benefits from stable, global supply chains and highly mature recycling ecosystems.

Furthermore, zinc-based batteries can use aqueous (water-based) electrolytes, completely eliminating the fire and explosion risks inherent to the organic solvents used in lithium-ion batteries. This is a decisive advantage when deploying megawatt-scale ESS safely next to urban areas or industrial complexes.

Through this configuration, the developed device achieved a capacity more than seven times higher than conventional zinc-ion capacitors, displaying exceptional lifespan characteristics suitable for infrastructure use.

4. A One-Dollar Invention: Open-Source Design Solving Battery Research’s “Reproducibility Crisis”

Another breakthrough from this study—and perhaps the one that has sent the biggest shockwaves through the academic community—is the “sealed, 3D-printed miniature test cell” designed by lead author Sophia Uemura and her colleagues.

In reality, many university and startup laboratories worldwide operate under budget constraints that force them to rely on open-beaker testing when evaluating new materials.

• The Traditional Challenge: Precision-sealed test cells sold by manufacturers (such as Swagelok-type cells made of metal or glass) are extremely expensive, costing upward of $1,000 each. Consequently, many researchers have resorted to using simple open glass beakers filled with electrolyte, holding the electrodes in place with tweezers. However, this setup allows the electrolyte to evaporate and introduces fluctuations in electrode distance due to ambient vibrations, severely compromising the reliability of degradation data.

Testing Environment	Fixed Electrode Distance	Prevention of Electrolyte Evaporation	Capacity Retention after 1,500 Cycles (Standard Electrode)	Estimated Cost
Traditional Open Beaker	No (Highly susceptible to vibration)	No (Evaporation alters concentration)	Immeasurable (Dries out and fails in <100 cycles)	A few dollars (But highly inaccurate)
Commercial Metal Sealed Cell	Rigidly fixed	Perfect (Airtight)	Measures accurately with reliable data	Over $1,000 per unit
3D-Printed Sealed Test Cell	Fully fixed via slot insertion	Yes (Sealed top structure)	Maintains 98% (Successful long-term measurement)	Approx. $1 (Resin cost only)

By making the CAD data (STL files) for this $1 test cell fully open-source, Uemura and the team have enabled any laboratory worldwide to test their custom electrode materials under highly standardized, precise, and incredibly cost-effective conditions. This is a quiet game-changer that promises to accelerate the pace of energy materials innovation globally.

5. Roadmap to Commercialization and Future Challenges

The combination of 3D-printed electrode topology control and low-cost zinc demonstrated by the UCLA team represents a major milestone for next-generation grid storage. However, several hurdles must be cleared before this technology transition from the lab to real-world applications:

• Scaling Up 3D Printing: While current stereolithography is excellent for producing centimeter-scale prototypes, manufacturing the square meters of electrodes required for megawatt-scale ESS will require ultra-fast, large-area 3D printing technologies—such as roll-to-roll (R2R) compatible systems—or integration with alternative self-assembly processes.
• Vanadium Cost Management: Because vanadium, used in the cathode, is still a relatively scarce metal, future research is expected to expand this porous electrode architecture to cheaper transition metals, such as manganese or iron.

A micro-geometry that packs the surface area of ten tennis courts into the palm of your hand, paired with a $1 test cell that unites researchers worldwide. These two innovations from UCLA offer a path to liberate humanity from the constraints of lithium dependency, providing a robust foundation for a truly sustainable, renewable energy-powered society.