Wie tragen 3D-gedruckte Elektrolyte zur besseren Energiespeicherung bei?

In Australien hat ein Forscherteam der UNSW in Sydney nach eigenen Angaben erfolgreich Festkörper-Polymerelektrolyte in kundenspezifischen Formen mit einem Desktop-3D-Drucker gedruckt. Dies würde u. a. die Energiespeicherung in kleinen elektronischen oder medizinischen Geräten oder in der Luft- und Raumfahrt ermöglichen. Es wird erwartet, dass der resultierende Elektrolyt eine sehr gute Leitfähigkeit und Festigkeit aufweist.

Zunächst sei daran erinnert, dass ein Elektrolyt ein flüssiger oder fester Stoff ist, der in der Lage ist, eine positive oder negative elektrische Ladung zu tragen. Dies ist das Ergebnis der Verdrängung von Ionen. Ein Polymerelektrolyt – wie er in dieser Studie verwendet wird – stellt beispielsweise eine Matrix aus organischen Polymeren dar, in der sich bewegende Ionen beobachten lassen. Sie werden häufig in Lithiumbatterien verwendet, insbesondere um deren Dichte und Sicherheit zu verbessern. Durch die Möglichkeit des 3D-Drucks könnten sich die UNSW-Forscher alle möglichen Formen für noch komplexere Anwendungen vorstellen.

Eine Karte von Australien aus 3D-gedruckten festen Polymerelektrolyten (Bild: Dr. Corrigan)

Und das ist eindeutig eine Weltneuheit. Kenny Lee, einer der Forscher des Teams, erklärt: „Niemand hat bisher feste Polymerelektrolyte in 3D gedruckt. Bisher wurden sie mit Hilfe einer Form hergestellt, aber die bisherigen Verfahren boten keine Möglichkeit, die Festigkeit des Materials zu kontrollieren oder es in komplexe Formen zu bringen. Bei den bestehenden Festkörperelektrolyten geht ein großer Teil der Leitfähigkeit verloren, wenn man die mechanische Festigkeit des Materials erhöht. Wenn man eine höhere Leitfähigkeit wünscht, ist das Material viel weniger robust. Was wir erreicht haben, ist eine gleichzeitige Kombination aus beidem, die in 3D zu anspruchsvollen Geometrien gedruckt werden kann.“ 

Es wurden nur wenige Details über das verwendete Gerät bekannt gegeben, aber es scheint sich um einen Desktop-3D-Drucker aus Harz zu handeln. Die Forscher geben an, dass es sich um eine starre, vernetzte Polymermatrix handelt, in die nanoskalige ionenleitende Kanäle eingearbeitet sind. Um die Stärke und die Fähigkeiten dieser neuen Entwicklung zu testen, druckte das Team eine Karte von Australien mit diesen Elektrolyten, die dann als Energiespeicher getestet wurde. Laut Dr. Corrigan, einem weiteren Forscher des Teams, waren die Ergebnisse ausgezeichnet:

„Einer der weiteren Vorteile dieser SPE in Energiespeichern ist die Tatsache, dass sie die Zyklenstabilität erhöht – d. h. die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, bis die Kapazität auf einen bestimmten Wert reduziert ist. In unserer Arbeit zeigen wir, dass dieses Material sehr stabil ist und die Fähigkeit hat, sich über Tausende von Zyklen zu laden und zu entladen. Nach 3000 Zyklen betrug der Kapazitätsabfall nur etwa 10 Prozent.“

Das Ziel ist es, Elektrolyte mit einer viel höheren Speicherdichte in 3D zu drucken, um das Feld der Möglichkeiten und der damit verbundenen Anwendungen zu erweitern. In der Zwischenzeit können Sie HIER mehr darüber erfahren.

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*Titelbildnachweis: Dr. Corrigan