Herstellung von formkonformen Batterien basierend auf der 3D-Drucktechnologie

Flexible, drahtlose elektronische Geräte entwickeln sich rasch und haben den Grad der Kommerzialisierung erreicht. Trotzdem sind die meisten Batterieformen auf sphärische und/oder rechteckige Strukturen beschränkt, was zu einer ineffizienten Raumnutzung führt. Das Team von Professor Il-Doo Kim vom Department of Materials Science am KAIST hat erfolgreich eine Technologie entwickelt, um die Variabilität des Batteriekonzepts durch die Zusammenarbeit mit Professor Jennifer A. Lewis und ihrem Team von der School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University erheblich zu verbessern.

Die meisten der heutigen Batterieformen sind für Münzzellen und/oder Taschenzellen optimiert. Da die Batterie als Energiespeicher in mikroelektronischen Geräten mit unterschiedlichem Design den größten Raum einnimmt, ist eine neue Technologie erforderlich, um die Form der Batterie frei zu verändern.

Das Team der KAIST-Harvard-Forschungskollaboration hat erfolgreich verschiedene Arten von Batterieformen wie Ring-, H- und U-Form unter Verwendung der 3D-Drucktechnologie hergestellt. Durch die Forschungskooperation mit Dr. Youngmin Choi am Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) wurden 3D-gedruckte Batterien in kleinen tragbaren elektronischen Geräten (tragbaren Lichtsensorringen) eingesetzt.

Die Forschergruppe hat umweltfreundliche wässrige Zn-Ionen-Batterien zur Herstellung kundenspezifischer Batteriepakete eingesetzt. Dieses System, bei dem Zn2+ anstelle von Li+ als Ladungsträger verwendet wird, ist im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Akkus, die hochentzündliche organische Elektrolyte verwenden, wesentlich sicherer. Darüber hinaus sind die Verarbeitungsbedingungen von Lithium-Ionen-Batterien sehr kompliziert, da sich organische Lösungsmittel bei Einwirkung von Feuchtigkeit und Sauerstoff entzünden können.

Da die wässrigen Zn-Ionen-Batterien des Forschungsteams bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff stabil sind, können sie unter Umgebungsbedingungen hergestellt werden und haben Vorteile beim Verpacken, da sich verpackter Kunststoff auch bei Kunststoffverpackungen nicht in Wasser löst Anwendung mit einem 3D-Drucker.

Um eine stabile Kathode herzustellen, die in verschiedenen Formen moduliert werden kann und eine hohe Ladungsentladung ermöglicht, fertigte das Forscherteam einen Stromkollektor für Kohlefasern unter Verwendung eines Elektrospinnverfahrens und ein gleichmäßig beschichtetes, elektrochemisch aktives leitfähiges Polyanilin-Polymer auf der Oberfläche von Kohlefasern für einen Stromkollektor. aktive Schicht integrierte Kathode. Die Kathode, basierend auf leitfähigem Polyanilin, bestehend aus einer 3D-Struktur, weist sehr schnelle Ladegeschwindigkeiten auf (50% der Ladung in zwei Minuten) und kann ohne Ablösung von aktiven Kathodenmaterialien hergestellt werden, so dass verschiedene Batterieformen mit hoher mechanischer Stabilität möglich sind hergestellt.

Prof. Kim sagte: “Zn-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten haben den Vorteil, dass sie unter Umgebungsbedingungen hergestellt werden können. Daher ist es einfach, die kundenspezifischen Batteriepakete mithilfe des 3D-Drucks herzustellen.”

“3D-gedruckte Batterien können problemlos für Nischenanwendungen wie tragbare, personalisierte, miniaturisierte Mikroroboter und implantierbare medizinische Geräte oder mikroelektronische Speichergeräte mit einzigartigen Designs eingesetzt werden”, fügte Professor Lewis hinzu.

Mit Dr. Chanhoon Kim in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der KAIST und der Dr. Bok Yeop Ahn-Fakultät für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften an der Harvard University als gleichberechtigte Erstautoren wurde diese Arbeit in der Dezember-Ausgabe von ACS Nano veröffentlicht.

Diese Arbeit wurde vom Globalen Forschungslabor (NRF-2015K1A1A2029679) und dem Wearable Platform Materials Technology Center (2016R1A5A1009926) finanziell unterstützt.

Inzwischen wurde Professor Il-Doo Kim vor kurzem zum Associate Editor von ACS Nano ernannt, einer renommierten Zeitschrift im Bereich der Nanowissenschaften.

Professor Kim sagte: „Es ist mir eine große Ehre, Associate Editor der renommierten Zeitschrift ACS Nano zu sein, die ab 2017 einen Impact-Faktor von 13,709 mit 134.596 Zitaten erreicht. Durch die redaktionellen Aktivitäten in den Bereichen Energie werde ich die Bekanntheit von KAIST verbessern und die Reichweite von Koreas Wissenschaft und Technologie erweitern. Ich werde auch dazu beitragen, mehr internationale Kooperationen mit weltweit führenden Forschungsgruppen durchzuführen.“