Ein japanisch-US-amerikanisches Forscherteam fand kürzlich einen Weg, Kohlenstoff-Mikrogitter zur Fertigung neuer, leicht herzustellender Hochleistungselektroden zu verwenden. Diese sollen dann die Herstellung preisgünstiger Batterien ermöglichen, welche mit leicht verfügbaren Natriumionen betrieben werden. Einen entsprechenden Ansatz veröffentlichten die Forscher der Tohuko-Universität und deren kalifornische Kollegen in der Zeitschrift Small.
Hoher Kostenaufwand für leistungsfähige Batterien als Herausforderung
Aufgrund ihrer hohen Leistung und ihrer Fähigkeit, größere Mengen an Energie zu speichern, werden Lithium-Ionen-Batterien in einer stetig wachsenden Zahl von Geräten eingesetzt, so etwa von Smartphones bis hin zu Elektroautos. Die Herstellung dieser Batterien erweist sich leider als sehr aufwendig. Hinzu kommt, dass die Ressourcen an Lithium endlich sind, die Gewinnung dieses Metalls zudem die Umwelt belastet.
Wissenschaftler suchen daher fieberhaft nach Wegen, die Kosten für die Herstellung dieser Batterien zu senken. Zudem suchen sie nach Wegen, das weiter verbreitete Natrium anstelle des kostbaren Lithiums zu verwenden.
Erhöhung der aktiven Materialien als Ausweg
Der Ausweg aus diesem Dilemma, welchen Akira Kudo von der Tohoku University, der Doktorand Yuto Katsuyama von der University of California Los Angeles und dessen Kollegen gefunden haben besteht nun darin, die Menge der zur Herstellung einer Batterie notwendigen aktiven Materialien zu erhöhen. Auf diese Weise lässt sich nämlich die Zahl der inaktiven Materialien, welche für die Verbindung mehrerer Zellen notwendig sind, reduzieren. Voraussetzung hierfür ist jedoch die Herstellung dickerer Elektroden, welche die Ionenbewegung, und damit auch die elektrische Ladung, innerhalb der Batterie einschränken würden.
Gelöst haben Akira Kudo und sein Team dieses Problem, indem sie einen Ansatz entwickelten, mit welchen mikrostrukturierte, hochleistungsfähige negativ geladene (Anoden-)Elektroden gefertigt werden können.
Mikrogitterstrukturen aus Stereolithografie
An dieser Stelle kommt der 3D Druck ins Spiel. Nämlicher Ansatz beruht nämlich darauf, mittels Stereolithografie Mikrogitterstrukturen aus Harz zu drucken. Durch Verkohlung werden diese Mikrogitter dann in einem Pyrolyse-Prozess geschrumpft. Hierbei entstehen Hartkohlenstoff-Anoden, welche einen schnellen Transport von energieerzeugenden Ionen ermöglichen.
Zudem konnte das Forscherteam die Leistung verbessern, in dem Maße, in dem sie die Gitterstruktur immer feiner machten. Dabei gelang es dank der hohen Auflösung moderner Stereolithografie-Drucker, Natrium-Ionen-Batterien zu bauen, welche die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien übertreffen.
Von Anoden zu Kathoden
Im nächsten Schritt will das Forscherteam den gleichen Ansatz zur Gewinnung positiv geladener, also Kathoden-Elektroden verwenden. Das Endziel besteht schließlich darin, komplette Natriumionen-Batterien auf diesem Wege zu fertigen. Bleiben Sie immer auf dem Laufenden über die neuesten Anwendungsmöglichkeiten für 3D-Druck-Technologien in unserem 3D Activation-Blog.
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