Oldenburger Forschende drucken Metallstrukturen für verbesserte Batterietechnologie

Ein Team um den Chemiker Dmitry Momotenko von der Universität Oldenburg hat eine neue 3D-Drucktechnik für extrem kleine Metallobjekte entwickelt. Sie zielen darauf ab, Batterieelektroden mit deutlich vergrößerten Oberflächen herzustellen, um die Ladezeiten drastisch zu reduzieren.

Die Forscher nutzen eine Technik, bei der sie mithilfe von sehr kleinen Düsen winzige, dreidimensionale Strukturen aus Metall drucken. Diese Methode soll dazu dienen, die technologischen Grenzen des 3D-Drucks zu erweitern, indem Objekte “Atom für Atom zusammengesetzt werden”. Insbesondere für Metallstrukturen eröffnen sich durch diese Technik zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Mikroelektronik, der Nanorobotik, der Sensorik und der Batterietechnologie.

Die 3D-Drucktechnik stößt jedoch auf Schwierigkeiten, wenn es um die Herstellung winziger Metallteile geht. Häufig sind die erzeugten Strukturen für bestimmte Anwendungen zu groß oder können nicht mit der erforderlichen Reinheit hergestellt werden. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben die Forscher ihren eigenen 3D-Drucker aufgebaut und programmiert, der auf dem Galvanik-Prozess basiert – ein Teilbereich der Elektrochemie, bei dem Metallionen in einer Salzlösung in Kontakt mit einer negativ geladenen Elektrode gebracht und in neutrale Metallatome umgewandelt werden.

Mit der neu entwickelten Technik konnten die Forscher bislang Kupfersäulen mit einem Durchmesser von 25 Nanometern herstellen, was den Bereich des 3D-Metalldrucks erstmals auf weniger als 100 Nanometer reduzierte. Ihr ultimatives Ziel ist es jedoch, Batterien zu entwickeln, die sich tausendmal schneller aufladen lassen als aktuelle Modelle. Dazu müssten die Elektroden eine dreidimensionale Oberflächenstruktur erhalten, um den Weg der Ionen beim Aufladen drastisch zu verkürzen.

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse stehen die Forscher vor großen Herausforderungen. Zum einen müssen sie herausfinden, wie winzige Unreinheiten innerhalb der Schutzatmosphäre, die beim Druckprozess entstehen, die gedruckten Strukturen beeinflussen. Zum anderen müssen sie Wege finden, die beim sekundenschnellen Laden von Batterien entstehende Wärme abzuführen und die Drucktechnologie für große Akkus nutzbar zu machen. Trotz der Komplexität dieser Aufgaben sehen sich die Wissenschaftler gut gerüstet und glauben, dass ihr Ansatz der elektrochemische 3D-Druck von Metallen die derzeit einzige Möglichkeit ist, nanostrukturierte Elektroden zu realisieren und das Konzept zu testen.