3D-Druck ermöglicht robuste und anpassbare strukturelle Lithium-Ionen-Batterien

Forscher der Shanghai Universität haben eine neue Methode zur Herstellung leistungsfähiger struktureller Batterien mittels 3D-Druck entwickelt. Diese Batterien können sowohl als Energiespeicher als auch als tragende Elemente in Fahrzeugen dienen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift “Composites Science and Technology” veröffentlicht.

Das Forscherteam um Yinhua Bao konzentrierte sich auf die Entwicklung eines integrierten Systems, das hohe Energiespeicherkapazität mit guter Belastbarkeit kombiniert. Bisherige Ansätze für strukturelle Energiespeicher litten oft unter geringer Energiedichte und schwacher elektromechanischer Zyklenfestigkeit.

Der Ansatz der Shanghaier Wissenschaftler basiert auf einem entkoppelten Design. Dabei wird ein 3D-gedrucktes Strukturgerüst mit Energiespeicherkomponenten kombiniert. Das Gerüst übernimmt die primäre Lastaufnahme und minimiert so die Belastung der Energiespeichermaterialien.

Bao erläutert: “Durch den Einsatz von 3D-Druck können wir anpassbare Strukturrahmen erstellen, die in Kombination mit Energiespeichermaterialien Komponenten mit integrierter Energiespeicher- und Lastaufnahmefunktion bilden.”

Die Forscher optimierten ihr Design mithilfe von Finite-Elemente-Simulationen. Zudem wählten sie leistungsfähige Elektrodenmaterialien und Elektrolyte, um Energiedichte und Lebensdauer zu verbessern. Eine verteilte Anordnung der Batteriezellen verhindert einen Totalausfall bei lokalen Schäden.

In Tests zeigte ein Prototyp der strukturellen Batterie vielversprechende Eigenschaften. Er widerstand erheblichen Zug- und Biegespannungen bei einer hohen Energiedichte von 120 Wh/kg. Nach 500 Zyklen behielt die Batterie 92% ihrer Kapazität. Unter Zugspannung von 80 MPa blieben 98,7% der Kapazität erhalten, unter Biegespannung von 96,3 MPa noch 97%.

Die 3D-Druck-Methode ermöglicht eine flexible Anpassung der Batteriegeometrie für verschiedene Anwendungen. Neben Elektrofahrzeugen könnten auch autonome Roboter oder Logistikfahrzeuge von der Technologie profitieren.

Zukünftig plant das Team, die Zuverlässigkeit durch neue Materialien für die Strukturrahmen weiter zu verbessern. Auch Anwendungen in unbemannten Luftfahrzeugen und Robotern stehen im Fokus der weiteren Forschung.