3D-gedruckten Lithium-Ionen-Batterien von Duke und Texas State University

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Mit einem Desktop-3D-Drucker und PLA-Filament haben Forscher der Texas State University und der Duke University, North Carolina, eine kostengünstige Möglichkeit gefunden, Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) zu tragbaren Geräten und Knopfzellenbatterien zu entwickeln.

Eine Studie des Prozesses wurde kürzlich in der Zeitschrift ACS Applied Energy Materials veröffentlicht.

Obwohl es sich um ein unkonventionelles Batteriematerial handelt, wurde PLA von Forschern in dieser Studie gewählt, weil es erstens eines der billigsten und gebräuchlichsten 3D-Druckermaterialien ist und zweitens: es ist einfach, in jede gewünschte Form zu arbeiten.

Die Hauptbarriere ist jedoch, dass PLA-Filament kein natürlicher Ionenleiter ist. Eine der wichtigen Entdeckungen in der Forschung von DukeU und Texas State war, wie diese Herausforderung bewältigt werden kann – eine Bedingung, die erfüllt wird, wenn PLA-Filament mit LiClO4 infundiert wird.

Als nächstes war es notwendig, die geeignete Materialkombination zu bestimmen, um 3D-gedruckte PLA-Proben in Anoden und Kathoden mit hoher Kapazität zu verwandeln. Von den Versuchszusammensetzungen heißt es in der Studie: „Die höchste Kapazität wurde mit Lithiumtitanat und Graphen-Nanoplättchen in der Anode und Lithium-Manganoxid und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Kathode erreicht.“

Nach der Formulierung wurden die jeweiligen PLA-Anoden und -Kathoden unter Verwendung eines unmodifizierten Desktop-3D-Druckers des preisgekrönten Entwicklers Prusa Research hergestellt.

Schichtaufbau der Single Print Batterie 239x300 - 3D-gedruckten Lithium-Ionen-Batterien von Duke und Texas State University
Foto: ACS Publications

(A) 3D-Modell der Single-Print-Batterie. (B) Stromkollektorschicht aus Black Magic Filament. (C) LTO/Graphen/PLA-Anodenschicht. (D) Die Elektrolytschicht wurde unter Verwendung von reinem PLA gedruckt. (E) LMO/MWNT/PLA-Kathodenschicht. (F) Stromabnehmer aus Electrififilament.

Eine Knopfzelle wurde als erste Proof-of-Concept-Probe ausgewählt. Obwohl dies nicht das erste Mal ist, dass ein verbessertes PLA-Filament zum 3D-Drucken von Knopfzellenbatterien verwendet wurde, präsentiert das DukeU- und Texas State-Projekt einen neuen Fortschritt in seinen anderen Proben.

Durch weitere Experimente gelang es dem Team, 3D-gedruckte Anoden und Kathoden in das Design von dunkler werdenden LCD-Brillengläsern und eine beleuchtete Armbandbatterie einzubauen. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Designs ist, dass die 3D-gedruckten LIBs zuerst in den Bügeln der Brille und zweitens im Armband des Armreifs perfekt verborgen sind.

Zusammenfassend gesagt: „Diese Ergebnisse sollten denjenigen zugute kommen, die Energiespeichermaterialien und -geräte erstellen möchten, die in 3D gedruckt werden können, um Batterien in beliebigen Formen zu erzeugen.“

Die Arbeit „Three-Dimensional Printing of a Complete Lithium Ion Battery with Fused Filament Fabrication“, wird online in der ACS Applied Energy Materials Journal veröffentlicht.

Verfasser sind Christopher Reyes, Rita Somogyi, Sibo Niu, Muty A. Cruz, Feichen Yang, Matthew J. Catenacci, Christopher P. Rhodes und Benjamin J. Wiley.

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