3D Druck von Batterien durch 3D-Gefrierdruck

Forscher der Kansas State University haben frühere Studien untersucht und sich dann mit einem 3D-Tintenstrahldrucker mit Gefrierguss für die Steuerung von Materialien zur Energiespeicherung mit einer viel komplexeren Forschung befasst.

In der Studie des 3D-Drucks mit Elektronik und der Herstellung von Batterien wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Autoren in ihrer kürzlich erschienenen Veröffentlichung “3D printing of hybrid MoS2-graphene aerogels as highly porous electrode materials for sodium ion battery anodes”. Bisherige Arbeiten konzentrierten sich auf häufigere Materialien wie Lithiumeisenphosphat (LFP) und Lithiumtitanoxid (LTO) sowie den 3D-Druck von Scheibenelektroden und nanokristallinen Tinten.

Für diese Studie verwendete der Forscher eine neue Technik zur Herstellung hochporöser MoS₂/Graphen-Hybridaerogele als Anode für Natriumionenbatterien (SIBs).

„Solche miteinander verbundenen porösen Strukturen sind aufgrund der Kombination einer höheren spezifischen Kapazität (über 300 mAh/g) und einer größeren Ionengröße (0,102 nm für Na⁺ vs. 0,076 nm für Li) von entscheidender Bedeutung, um die durch die größeren Volumenänderungen während Lade-Entlade-Zyklen induzierte Spannung zu mildern als in den vorangegangenen LIB-Studien “, erklärten die Forscher.

Es ist bekannt, dass sowohl Graphen als auch Molybdändisulfid (MoS₂) außergewöhnliche Eigenschaften besitzen, da 2D-Schichtmaterialien bereits gut untersucht wurden. Es gibt Herausforderungen, da bekannt ist, dass sich MoS₂ schnell verschlechtert und die elektrische Leitfähigkeit niedrig ist. Graphen kompensiert die dort vorhandenen Nachteile jedoch mit überlegener Leitfähigkeit, Flexibilität und chemischer Beständigkeit.

Mit einer kalten Substratplatte werden Tintentröpfchen während des 3D-Drucks eingefroren und beginnen den Prozess mit dem Erstellen von hybriden Aerogel-basierten 3D-Architekturen für Batterien. Vorläufertinte wurde erzeugt, als Nanoflocken in entionisiertes Wasser eingebracht und dann auf die auf –30 °C eingestellte Kühlplatte platziert wurden. Die Tröpfchen erstarrten schnell zu Eiskristallen und bildeten dann eine Matrix. Danach wurden sie in einen Gefrierschrank gestellt und später in das gewünschte Aerogel überführt, um sie anschließend zu verfeinern.

Insgesamt wurden das MoS₂-rGO-Aerogel erfolgreich mit der Gefrierdrucktechnik in 3D gedruckt. Es hat sich gezeigt, dass das vernetzte Graphen-Netzwerk in solchen 3D-Aerogelen die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit effektiv verbessert, während die großen Poren den schnellen Ionentransport erleichtern.

Diese Studie demonstriert das Potenzial der Verwendung der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung makroporöser Elektrodenmaterialien, die eine Interkalation großer Na⁺ -Ionen mit hoher Kapazität aufrechterhalten können, was eine neue Richtung des 3D-Drucks für Energiespeicheranwendungen eröffnet.