de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam der University of California, Los Angeles (UCLA) ist es mithilfe additiver Fertigungstechnologie gelungen, eine 3D-gedruckte Kohlenstoffelektrode herzustellen, die die Ladekapazität von Zink-Ionen-Hybridbatterien im Vergleich zu bestehenden vergleichbaren Geräten um mehr als das Siebenfache steigert.
Die in der Fachzeitschrift „Small" veröffentlichte Studie führte zudem eine 3D-gedruckte Testbatterie ein, die darauf abzielt, die Konsistenz von Leistungsmessungen in der Energiespeicherforschung zu verbessern. Die vom Team entwickelte Batterie ist ein Hybridgerät, bei dem ein Anschluss ähnlich wie die Ladungsspeicherkomponente einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie funktioniert, während der andere Anschluss eine Kohlenstoffelektrode ähnlich der eines Superkondensators verwendet. Superkondensatoren sind Energiespeichergeräte, die sich schnell laden und entladen und voraussichtlich jahrzehntelang betrieben werden können. Ihre Hauptbeschränkung besteht jedoch darin, dass Energie nur auf der Elektrodenoberfläche gespeichert werden kann, was die Gesamtkapazität begrenzt.
Um diese Einschränkung zu überwinden, verwendete das UCLA-Team ein UV-Laser-Harz-Druckverfahren, um eine Kohlenstoffelektrode mit einer waben- oder schwammartigen Innenstruktur herzustellen, die mit Milliarden von Mikroporen übersät ist. Die gedruckte Elektrode wurde erhitzt und entgast, sodass nur leitfähiger Kohlenstoff mit offenen Poren zurückblieb, der dann durch einen chemischen Prozess mit Vanadiumoxid beladen wurde. Die daraus resultierende Oberfläche ist enorm: Ein Gramm Elektrodenmaterial würde, wenn es flach ausgebreitet würde, etwa zehn Tennisplätze bedecken. Der korrespondierende Autor Ric Kaner, angesehener Professor für Chemie, Biochemie sowie Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UCLA, erklärte, dass mit dieser Methode jedes 3D-Gerüst Schicht für Schicht aufgebaut und die Mikrostruktur kontrolliert werden könne. Die enorme innere Oberfläche, die durch die zahlreichen winzigen Poren entstehe, bedeute, dass große Mengen an Ladung gespeichert werden könnten.
Neben der erhöhten Energiedichte behielt das Gerät nach 1500 Lade-Entlade-Zyklen noch 82 % seiner Kapazität. Das Team wies zudem darauf hin, dass Zink etwa 100-mal häufiger vorkommt als Lithium und relativ einfacher abzubauen und zu recyceln ist, was es zu einer nachhaltigeren Batteriechemie als Lithium macht. Der korrespondierende Autor Maher El-Kady, Assistenzforscher am Institut für Chemie und Biochemie der UCLA, erklärte, dass die Zukunft der Energiespeicherung nicht von einer einzigen Technologie bestimmt werde. Das in dieser Studie vorgestellte Zink-Ionen-Hybridgerät, das eine fast eine Größenordnung höhere Kapazität speichern könne, könne eine Ergänzung zu den derzeitigen Optionen für die Energiespeicherung im Netzmaßstab darstellen.
Die Studie führte auch eine 3D-gedruckte Testbatterie ein, die die in Energiespeicherlaboren üblichen offenen Becherglas-Anordnungen verbessern soll. Standardmäßige kommerzielle Glas-Testbatterien kosten 1000 US-Dollar oder mehr, weshalb die meisten Forschungsteams auf Bechergläser angewiesen sind. Diese erlauben jedoch die Verdunstung des Elektrolyten und führen Variabilität bei der Positionierung der Elektroden ein, was die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Die gedruckte Batterie des UCLA-Teams verfügt über einen versiegelten Deckel und feste Elektrodenaufnahmen. In Tests behielt eine standardisierte Kohlenstoffelektrode in der gedruckten Batterie nach 1500 Zyklen 98 % ihrer Ladung, während sie in einer herkömmlichen offenen Batterieanordnung bereits nach weniger als 100 Zyklen versagte. Die Erstautorin Dr. Sophia Uemura, die kürzlich an der UCLA promovierte, erklärte, dass dieses Konzept Forschern helfe, konsistentere Messungen und zuverlässigere Daten zu erhalten. Die Zugänglichkeit des 3D-Drucks bedeute, dass jeder mit einem 3D-Drucker eine ähnliche Testbatterie herstellen und an seine eigene Arbeit anpassen könne. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der National Tsing Hua University in Taiwan durchgeführt.
