Laser könnten den 3D-Druck von Energiespeichern voranbringen

Autos, die mehr als 1.000 Meilen mit einer einzigen Tankfüllung zurücklegen, und Smartphones, die tagelang ohne Aufladung laufen können, gehören zu den Möglichkeiten, die sich aus einem neuen Forschungsprojekt der Clemson University ergeben könnten, bei dem 3D-Druck und Laserbearbeitung kombiniert werden.

Jianhua „Joshua“ Tong und sein Team arbeiten an einer neuen 3D-Drucktechnik, bei der schnelle Laserbearbeitung durchgeführt wird, um „protonische Keramik-Elektrolyseur-Stacks“ zu erstellen, die Strom in Wasserstoff umwandeln, um Energie zu speichern.

Die Elektrolyseure könnten verschiedene Anwendungen haben, einschließlich als Kraftstoffquelle in Autos oder zur Speicherung von Energie, die aus Sonnen- und Windkraft erzeugt wird.

Das neue Laser-3D-Druckverfahren würde die Kosten und den Zeitaufwand für die Herstellung hochverdichteter Elektrolyseure reduzieren, sagte Tong. Er könne dadurch nicht nur die Kosten für die Wasserstoffproduktion halbieren, sondern auch die Gerätegröße um eine Größenordnung senken, sagte er.

Tong, ein außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, leitet die Forschung mit 1,6 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium für Energieeffizienz und erneuerbare Energien.

“Unser Erfolg bedeutet, dass wir nachhaltige, saubere Energie liefern können”, sagte Tong. „Das ist der fantastische Teil. Wir bringen den 3D-Druck auf die nächste Stufe.“

Wenn die Forscher mit den Elektrolyseuren Erfolg haben, könnte dieselbe Technik auch für den 3D-Druck anderer Arten von Keramikprodukten, einschließlich Batterien und Solarzellen, angewendet werden, sagte Tong. Die Technik könnte beispielsweise zu Akkus mit hoher Dichte führen, mit denen Smartphones tagelang betrieben werden können, sagte er.

Das Projekt von Tong ist das jüngste in einer wachsenden Forschung, die den 3D-Druck verwenden soll, um die Herstellung von Produkten zu verändern. Beim 3D-Druck werden Produkte auf einem Computer entworfen und dann Schicht für Schicht gedruckt, wobei die Schichten aufeinander gestapelt werden, um das Produkt zu erstellen.

Die mikrowellengroßen 3D-Drucker, die häufig in Klassenzimmern der Highschool zu finden sind, drucken mit Kunststoff. Eine der größten Herausforderungen in der fortschrittlichen Fertigung ist es, herauszufinden, wie mit anderen Materialarten kostengünstig gedruckt werden kann.

Bei Tong liegt der Fokus auf Keramik.

Bei herkömmlicher Herstellung müssen Keramiken in einem Ofen bei hohen Temperaturen oft für mehrere Stunden gesintert werden. Verschiedene Arten von Keramiken müssen bei verschiedenen Temperaturen gesintert werden.

Ein Elektrolyseur benötigt vier verschiedene Arten von Keramiken, was das Sintern zu einer Herausforderung macht.

In Tongs Projekt legt ein 3D-Drucker eine Keramikschicht ab und ein Laser sintert sie gleichzeitig, wodurch der Ofen nicht mehr benötigt wird.

Die Technik würde es dem Benutzer ermöglichen, einen Elektrolyseur, der aus vier verschiedenen Keramiktypen hergestellt ist, ohne Verwendung eines Ofens in 3D zu drucken. Es wäre vergleichbar mit der Herstellung eines Kuchens mit vielen Schichten und einem unterschiedlichen Geschmack für jede Schicht.

Die Technik könnte den 3D-Druck für neue Produkte und alle damit verbundenen Vorteile öffnen. Ein Entwurf für den Brennstoffzellenstapel eines Autos könnte beispielsweise per E-Mail an eine Fabrik in Tausenden von Kilometern Entfernung gesendet werden und könnte innerhalb von Stunden gedruckt werden, anstatt tagelang auf die Lieferung zu warten, sagte Tong.

Das Projekt bringt vier Fakultätsmitglieder in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik von Clemson zusammen. Tong dient als Hauptermittler des Projekts, während Hai Xiao, Kyle Brinkman und Fei Peng Co-Hauptermittler sind.

Rajendra Bordia, Vorsitzender der Abteilung, sagte, die Forschung unterstütze Clemsons Bemühungen, nachhaltigere Wege zur Energieumwandlung zu schaffen.

“Die Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ist einzigartig positioniert, um eine führende Rolle bei der Nutzung der Elektrolyse zu spielen, um Energie für den Transport aus erneuerbaren Quellen zu erzeugen”, sagte er. „Das Team, das an diesem Projekt arbeitet, repräsentiert erstklassiges Know-how in relevanten Bereichen, einschließlich keramischer Materialien und Geräte für die Energieumwandlung, Laserbearbeitung, additive Fertigung und keramische Bearbeitung.“

Anand Gramopadhye, Dekan des College of Engineering, Computing und Angewandten Wissenschaften, sagte, das Projekt knüpft an Clemsons hervorragende Leistungen in der fortgeschrittenen Fertigungsforschung an.

“Die Höhe des Awardes ist ein Beweis für die innovativen Ideen und Top-Talente, die in die Forschung einbezogen werden”, sagte Gramopadhye. “Ich gratuliere Dr. Tong und seinem Team zu der Bewilligung.”