Einem Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California, Los Angeles (UCLA) ist die Entwicklung eines neuartigen hybriden Zink-Ionen-Energiespeichers gelungen, dessen Elektroden mittels 3D-Druck hergestellt werden. Die Energiedichte des Geräts ist siebenmal so hoch wie die vergleichbarer Systeme. Die entsprechende Studie wurde in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Small" veröffentlicht.

Das neue Gerät speichert Energie an einem Ende wie eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie, während das andere Ende eine Kohlenstoffelektrode ähnlich der eines Superkondensators verwendet. Die Verwendung von Zink anstelle von Lithium zur Herstellung von Energiespeichern ist kostengünstiger und nachhaltiger. Denn die Zinkreserven in der Erdkruste sind hundertmal so groß wie die von Lithium; Zink ist nicht nur leicht abbaubar, sondern auch einfacher zu recyceln. Superkondensatoren speichern zwar weniger Energie, laden und entladen aber extrem schnell und haben eine erwartete Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten.

Der Engpass von Superkondensatoren liegt darin, dass die Energie nur an der Elektrodenoberfläche verbleiben kann. In der aktuellen Studie hat das Team die Energiedichte auf zwei Wegen deutlich erhöht: erstens durch eine drastische Vergrößerung der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode und zweitens durch die Füllung dieser Oberflächen mit dem Energiespeichermaterial Vanadiumoxid.

Um die Oberfläche der Kohlenstoffelektrode zu vergrößern, gestaltete das Team die Elektrode waben- oder schwammartig, gefüllt mit winzigen Hohlräumen. Die Elektrode wird mittels 3D-Druck aufgebaut: Ein flüssiges Harz wird unter UV-Laserbestrahlung sofort ausgehärtet und so Schicht für Schicht geformt. Anschließend wird das gedruckte Teil erhitzt und entgast, sodass nur ein leitfähiges Kohlenstoffgerüst mit offenen Poren zurückbleibt. In diese Struktur wird dann durch einen chemischen Prozess Vanadiumoxid eingelagert. Das resultierende Bauteil hat eine enorm große Oberfläche: Würde man ein Gramm dieses Materials zu einer dünnen Schicht pressen, könnte es etwa zehn Standard-Tennisplätze bedecken, was ihm die Speicherung enormer Ladungsmengen ermöglicht.

Das neue Gerät speichert nicht nur die siebenfache Menge an Elektrizität im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren, sondern behält auch nach 1500 Lade-Entlade-Zyklen noch 82 % seiner Kapazität.

Um Solarenergie und Windenergie zu speichern und den wachsenden Strombedarf zu decken, werden Geräte benötigt, die sowohl schnell laden und entladen als auch kostengünstig sind und jahrzehntelang betrieben werden können. Das neue Gerät erfüllt all diese anspruchsvollen Bedingungen.