Die Forscher der Carnegie Mellon University aus Pennsylvania (USA) arbeiten derzeit an einer Methode, mit der künftig Lithium-Ionen-Akkus für Smartphones länger halten und gleichzeitig weniger Gewicht aufweisen sollen. Die jetzt veröffentlichte Studie zur „Aerosol Jet“-Methode zeigt, dass 3D-gedruckte Elektroden, die über eine Mikrogitterstruktur mit kontrollierter Porosität verfügen, zu höheren Ladekapazitäten führen.

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An der Carnegie Mellon University haben Ingenieure am für den 3D-Druck von Batterie-Elektroden eine neue Methode entwickelt, die eine 3D-gedruckte Mikrogitterstruktur mit kontrollierter Porosität erzeugt. Dies könnte zu einer erheblichen Verbesserung der Lade- und Entladeraten sowie Kapazitäten bei Lithium-Ionen-Batterien führen, heißt es in einem wissenschaftlichen Report, der auf ScienceDirect unter dem Titel „3D printed hierarchically-porous microlattice electrode materials for exceptionally high specific capacity and areal capacity lithium ion batteries“ veröffentlicht wurde.

Das Elektrodenvolumen wird besser ausgenutzt

Professor Rahul Panat und sein Forscherteam haben in Kooperation mit der Universität für Wissenschaft und Technologie in Missouri eine neue 3D-Druckmethode zur Herstellung von Elektroden für Batterien entwickelt. Dabei wurde die sogenannte „Aerosol Jet“-3D-Druckmethode verwendet. Das Projekt wurde von der Idee inspiriert, dass die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie erheblich verbessert werden kann, wenn die Elektroden über Kanäle und Poren verfügen.

Querschnittsansicht der Struktur
Laut R. Panat können bei Lithium-Ionen-Batterien die Elektroden mit poröser Architektur zu höheren Ladekapazitäten führen (Bild © Rahul Panat).

Wie in den veröffentlichten Studienresultaten berichtet wird, führen die Elektroden mit poröser Struktur bei Lithium-Ionen-Batterien zu höheren Ladekapazitäten. Der Grund dafür ist, dass eine solche Struktur dem Lithium ein besseres Durchdringen in das Elektrodenvolumen ermöglicht. Dies führt letztlich zu einer höheren Ausnutzung der Elektroden und automatisch auch zur höheren Kapazität des Energiespeichers. Bei normalen Batterien werden vergleichsweise 30-50 % des gesamten Elektrodenvolumens überhaupt nicht genutzt. Durch den 3D-Druck wird dieses Problem nun überwunden, da bei den Elektroden eine Mikrogitterstruktur geschaffen wird. Dadurch wird ein effizienter Lithiumtransport durch die gesamte Elektrode ermöglicht, was dem Akku eine höhere Laderate bzw. Kapazität ermöglicht.

Hohe mechanische Robustheit der 3D-gedruckten Elektroden im Test

REM-Aufnahmen von 3D-gedruckten Elektroden
REM-Aufnahmen von 3D-gedruckten Elektroden (Bild © Rahul Panat und Mohammad Sadeq Saleh).

Die Elektroden behielten nach 40 elektrochemischen Zyklen ihre komplexen 3D-Mikrogitterstrukturen bei, was schon ein gutes Zeichen ihrer mechanischen Robustheit ist. Das Forscherteam der Carnegie Mellon Universität hat dadurch eine eigene 3D-Druckmethode entwickelt, mit welcher die vorhandenen Möglichkeiten eines Aerosol Jet 3D-Drucksystems komplett ausgenutzt werden. Mit der neuen 3D-Druckmethode werden poröse Mikrogitterstrukturen erstellt, mit welchen sich Batterieelektroden 3D-drucken lassen.

Die neue Methode des engagierten Forscherteams der Carnegie Mellon Universität könnte neben dem Einsatz bei Smartphone-Akkus auch für die Anwendung in der Luft– und Raumfahrt, im medizinischen Bereich sowie in der Unterhaltungselektronik von großer Bedeutung sein. Es werden vielleicht noch einige Jahre vergehen, bis die neue 3D-Druck-Methode für die industrielle Anwendung fertiggestellt wird, jedoch wurde bereits ein bedeutsamer Schritt in diese Richtung gemacht. Mit unserem Newsletter bleiben Sie stets zeitnah über interessante Berichte aus der 3D-Druckwelt informiert. Abonnieren Sie ihn hier.

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