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Komplexe 3D-gedruckte Elektroden verbessern Lithium-Ionen-Batterien

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Mithilfe des Aerosol-Jet-Verfahrens ist es Forschern gelungen, komplexe Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien herzustellen. Die so entstehenden Batterien können je nach Bedarf bezüglich Gewicht oder Kapazität optimiert werden.

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REM-Aufnahmen der komplexen Elektroden Geometrie, die erst durch die Additive Fertigung möglich wird.
REM-Aufnahmen der komplexen Elektroden Geometrie, die erst durch die Additive Fertigung möglich wird.
(Bild: R. Panat / M. Sadeq Saleh)

3D-Druck kann zur Herstellung von porösen Elektroden für Batterien verwendet werden – aber je nach verwendetem Verfahren ist das Design der Elektroden auf wenige Geometrien beschränkt. Das Extrusion-Verfahren eignet sich beispielsweise für einfache interdigitale Strukturen. Die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien kann jedoch erheblich verbessert werden, wenn ihre Elektroden auf der Mikroskala Poren und Kanäle aufweisen.

Ein Forscher-Team um Rahul Panat, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, hat in Zusammenarbeit mit Jonghyun Park, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Missouri University of Science and Technology, eine neue Methode zur additiven Fertigung von Batterieelektroden entwickelt. Mit dieser ist es möglich, eine 3D-Mikrogitterstruktur mit kontrollierter Porosität zu erzeugen, welche die Lade- und Entladungsraten von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessern soll.

Bei gleicher Kapazität ein stark reduziertes Gewicht.

„Bei Lithium-Ionen-Batterien können die Elektroden mit poröser Architektur zu höheren Ladekapazitäten führen“, sagt Panat. „Denn solche Architekturen lassen das Lithium durch das Elektrodenvolumen eindringen, was zu einer sehr hohen Elektrodenauslastung und damit zu einer höheren Energiespeicherkapazität führt. In normalen Batterien sind 30 – 50 % des gesamten Elektrodenvolumens ungenutzt.“

„Unsere Methode überwindet dieses Problem durch den Einsatz von 3D-Druck, bei dem wir eine Mikrogitter-Elektrodenarchitektur schaffen, die den effizienten Transport von Lithium durch die gesamte Elektrode ermöglicht, wodurch sich auch die Batterieladeraten erhöhen“, ergänzt Panat. So werden Batterien möglich, die bei gleichem Gewicht mit einer höheren Kapazität aufweisen oder bei gleicher Kapazität ein stark reduziertes Gewicht.

Signifikate Erhöhung der spezifischen Kapazität und der Flächenkapazität

Durch die Verwendung der mikrostrukturierten Elektroden (Ag) konnten die Forscher im Vergleich zu einer festen Blockelektrode (Ag) zum einen eine vierfache Erhöhung der spezifischen Kapazität und zum anderen eine zweifache Erhöhung der Flächenkapazität erzielen. Darüber hinaus behielten die Elektroden ihre komplexe 3D-Struktur auch noch nach 40 elektrochemischen Zyklen.

Die Forscher verwendeten ein Aerosol-Jet-System, um die Mikrogitterarchitektur zu erstellen. Der Vorteil des Verfahrens – im Gegensatz zum Extrusionsverfahren – ist, dass einzelne Tröpfchen zu den dreidimensionalen Strukturen zusammengesetzt werden. Erst dadurch lassen sich die komplexen Geometrien erzeugen.

Diese Technologie soll nach Meinung der Forscher in etwa zwei bis drei Jahren für die industrielle Anwendung bereit sein wird. Großes Potenzial sehen sie für die Unterhaltungselektronik, die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrt.

Originalveröffentlichung:
M. S. Saleh et al: 3D printed hierarchically-porous microlattice electrode materials for exceptionally high specific capacity and areal capacity lithium ion batteries; Additive Manufacturing (23)

(ID:45449001)