An der Binghamton University haben einem Bericht auf der Website zu Folge Forschende ein neues Verfahren entwickelt, um die Energieausbeute von biobasierten Batterien mithilfe von 3D-gedruckten Edelstahlkomponenten erheblich zu verbessern. Das interdisziplinäre Projekt vereint Expertisen aus der Elektro- und Maschinenbauingenieurwissenschaft und könnte künftig autonome Kleingeräte wie IoT-Sensoren mit nachhaltigem Strom versorgen.
Die Idee stammt von Professor Seokheun “Sean” Choi aus der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik, der bereits seit rund zehn Jahren an Bakterien-basierten Biobatterien forscht. Die neueste Version seiner Mikroenergiequelle setzt auf 3D-gedruckte Anoden aus Edelstahl, die mit Hilfe von Laser Powder Bed Fusion (LPBF) gefertigt werden – ein Spezialgebiet von Professor Dehao Liu vom Department für Maschinenbau.
Warum 3D-Strukturen entscheidend sind
Für eine effektive Energiegewinnung benötigen mikrobielle Brennstoffzellen eine dreidimensionale Anode. Nur so können Bakterienkolonien effizient angesiedelt werden und gleichzeitig optimal mit Nährstoffen versorgt sowie von Abfallstoffen befreit werden. „Eine zweidimensionale Anode ist nicht effizient“, erklärt Choi. Herkömmliche Materialien wie Kohlenstoff- oder Polymerstrukturen seien jedoch zu brüchig oder besäßen eine unzureichende elektrische Leitfähigkeit.
Die LPBF-Technologie erlaubt es hingegen, rostfreien Stahl präzise und porös in Mikrostrukturen zu formen. So entstehen stabile und hochleitfähige Anoden, die individuell angepasst werden können. Mit ihrer Hilfe konnte das Team sechs Biobatterien zu einem Verbund zusammenschalten, der fast ein Milliwatt Leistung erzeugt – genug, um ein 3,2-Zoll-TFT-LCD anzutreiben. Dies ist einer der höchsten bislang erreichten Werte bei Chois Biobatterie-Designs.
Vorteile durch Wiederverwendbarkeit und Modularität
Ein weiterer Vorteil der gedruckten Edelstahlstruktur ist ihre Wiederverwendbarkeit. „Man kann die Bakterienzellen abnehmen und erneut einsetzen – die Leistungswerte bleiben dabei konstant“, so Choi. Auch andere Komponenten wie das Gehäuse oder der Kathodenbereich wurden per 3D-Druck erstellt und anschließend modular zusammengesetzt – vergleichbar mit Legosteinen.
Zurzeit plant das Forschungsteam, die Druckprozesse für sämtliche Batteriekomponenten in einem einzigen Fertigungsschritt zu vereinen. Zudem soll ein Energiemanagementsystem entwickelt werden, um das Laden und Entladen der Batterie – ähnlich wie bei Solarzellen – gezielt zu steuern.
Zukunftsperspektiven: Einheitliche Druckprozesse und smarte Energiegewinnung
Die Ergebnisse der Zusammenarbeit wurden in der Fachzeitschrift Advanced Energy & Sustainability Research unter dem Titel „Toward Sustainable, High-Performance, and Scalable On-Chip Biopower: Microbial Biobatteries with 3D-Printed Stainless Steel Anodes and Spore-Based Biocatalysts“ veröffentlicht.
Die beteiligten Forschenden sehen großes Potenzial für den Einsatz in selbstversorgenden Elektroniksystemen. Gefördert wird das Projekt durch einen NSF-Forschungszuschuss aus dem Jahr 2024 (National Science Foundation, Fördernummer 2410431).
Laut dem ehemaligen Doktoranden und heutigen Mitautor Anwar Elhadad geht die aktuelle Forschung direkt aus seiner Dissertation über nachhaltige bioelektronische Systeme hervor. Für ihn sei die Arbeit mit Choi stets „inspirierend und intellektuell stimulierend“.
Die Entwicklung dieser stapelbaren, biobasierten Batterien zeigt, wie biologische Prozesse und hochpräziser 3D-Druck ineinandergreifen können. Was denken Sie: Werden Biobatterien zukünftig eine größere Rolle bei der Energieversorgung smarter Geräte spielen? Diskutieren Sie mit in den Kommentaren und abonnieren Sie unseren kostenlosen Newsletter, um keine 3D-Druck-News mehr zu verpassen.
