Forscher nutzen 3D-Druck für Titanelektroden in Batterie

In einem wissenschaftlichen Paper, das in ChemElectroChem erschienen ist, haben Ingenieure aus Belgien und Deutschland erfolgreich die Herstellung und Erprobung einer Titanslurry-Elektrode vorgeführt und bewiesen, dass sie ein praktikables Mittel zur Erhöhung der Stromspitzendichte im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Lösungen ist.

Bei Slurry-Elektroden, werden komplexe Strömungsverteiler verwendet, um den Ladungstransfer zwischen dem Stromkollektor und den Slurry-Partikeln zu verbessern. Durch eine anschließende Wärmebehandlung der Elektroden werden die anodischen und kathodischen Stromspitzen drastisch verbessert.

Herkömmlicherweise werden diese Arten von Elektroden in elektrochemischen Systemen verwendet, wie in Brennstoffzellen, Batterien und Galvanisierungsprozessen. Nun hat sich das Team als Anwendungen die Herstellung einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) zum Ziel gesetzt.

Der 3D-Druck half dem Team, bestehend aus Forschern und Forscherinnen des DWI-Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien, der Universität Antwerpen und der RWTH Aachen, die Strömungsverteiler für den Einsatz in der VRF zu erschaffen und eine verdrehte Geometrie herzustellen.

Slurry-Elektroden und der 3D-Druck

Verschiedene Oxidationsstufen verleihen der VRFB ihre Fähigkeit Energie zu speichern. Gängige Materialien für die Elektroden ssind Papier oder Filz auf Kohlenstoffbasis. Diese ersetzte das Team durch Slurry-Elektroden, die mit 3D-gedruckten statischen Mischern (SMs) in die Strömungskanäle der Batterie integriert wurden. Dadurch konnten sie Ladungtransfer zwischen dem Kollektor und den Slurry-Partikeln verbessern.

Nachdem die statischen Mischer geformt und gedruckt waren, wurde eine Paste, bestehend aus Titanpulver, Epoxid und Glycerin, eingefüllt. Nach der Trocknungszeit musste die Form nur noch aufgelöst werden.

Da der Mischer nun noch nicht leitfähig war, wurde ein zweistufiges Verfahren angewandt, das zugleich das Bindemittel entfernte.

Integration und Tests

Einige Tests und Analysen zeigten, dass bis zu sieben Schichten Graphit aufgesprüht werden konnnten, ehe Delamination und Oberflächenverformungen auftreten. Zudem besitzt die TiSM-Elektrode im positiven Elektrolyten eine bis zu dreifach höhere Spitzenstromdichte, im negativen Elektrolyten dagegen nur eine bis zu zweifach höhere Spitzenstromdichte.

Diese Ergebnisse führen zu dem Schluss, dass ein statischer Mischer mit Slurry-Elektroden den Ladungstransfer verbessern kann. Diese Erkenntnisse könnten also auch  einen wichtigen Schritt in der Entwicklung wiederaufladbarer Batterien dieser Funktionsweise bedeuten.

Die vollständige Arbeit finden Sie hier.